Aula_Cap10_Compactação_Compressibilidade_Solo

Prévia do material em texto

F´ısica do Solo
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Prof. H.J.Kliemann
Curso de Agronomia - Campus Palotina
Universidade Federal do Parana´ - UFPR
Palotina, PR, janeiro de 2013
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 1 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactac¸a˜o do solo - Introduc¸a˜o
⇒ Definc¸a˜o de compactac¸a˜o do solo - aumento da densidade do solo, induzida pelo homem, e,
ou, ma´quinas e animais, resultando no arranjamento e reduc¸a˜o da porosidade do solo .
⇒ Adensamento do solo - aumento da densidade do solo por pedogene´ticos.
⇒ Processo de compactac¸a˜o do solo - forc¸as internas e externas.
1 - Forc¸as externas - Tra´fego de ve´ıculos, ma´quinas, animais e humanos, crescimento de
algumas ra´ızes;
2 -Forc¸as internas - processos pedogene´ticos em geral, com eˆnfase em:
Ciclos de umedecimento e secamento;
congelamento e degelo;
contrac¸a˜o e expansa˜o da matriz do solo.
⇒ Os componentes individuais do solo, tanto na fase l´ıquida quanto na so´lida, na˜o sofrem
mudanc¸as aprecia´veis.
⇒ Sequeˆncia de compressa˜o do solo - reduc¸a˜o do espac¸o poroso, pela expulsa˜o do ar em solo
seco, ou do ar e da a´gua em solo u´mido.
No primeiro caso, sob pressa˜o esta´tica ou por vibrac¸a˜o, as part´ıculas sa˜o reorientadas, assumindo uma arranjamento
mais compacto, reduzindo o volume fracional do ar;
no segundo caso, num solo saturado por a´gua, qualquer decre´scimo da´-se a`s custas do volume fracional de a´gua, devido
a` viscosidade da a´gua ser cerca de 10 vezes maior do que a do ar;
a expulsa˜o da a´gua e´ um processo geralmente mais lento, pois pela compressa˜o progressiva os os poros maiores sa˜o
fechados em primeiro lugar e depois os poros mais estreitos.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 2 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactac¸a˜o do solo - Introduc¸a˜o
⇒ Duas viso˜es opostas da compactac¸a˜o do solo:
1 Engenharia - o solo como material de construc¸a˜o:
Leitos de estradas, diques e aterros;
em fundac¸o˜es para diversas fins;
o interesse dos engenheiros civil e agr´ıcola - manipular o solo para aumentar a a
resisteˆncia e a estabilidade e diminuir a permeabilidade das camadas do solo;
2 Engenharias Agronoˆmica, Florestal e Ambiental - o solo e´ o meio de
crescimento e habitat da flora e fauna:
Na agricultura - a compactac¸a˜o tem efeitos lesivos, como consequeˆncia da
mecanizac¸a˜o inadequada;
esses efeitos devem ser mitigados por pra´ticas adequadas na agricultura e pecua´ria;
no meio ambiente a visa˜o, necessariamente, dever conservacionista.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 3 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactabilidade do solo em relac¸a˜o a` umidade
⇒ Teste de Proctor - projetado para determinar o ponto ”o´timo” de umidade do solo, no qual a compactac¸a˜o de um dado
solo pode ser conseguido mais eficientemente para dado esforc¸o de compactac¸a˜o.
⇒ O procedimento ba´sico de Proctor e´ de aceitac¸a˜o universal, usado como crite´rio padra˜o para a compactac¸a˜o do solos na
pra´tica da engenharia (ASTM, 1958a)[2].
⇒ Para um dado esforc¸o de compactac¸a˜o, a resultante densidade e´ uma func¸a˜o da umidade do solo (Figura CCS1001): indica
que, comec¸ando de uma condic¸a˜o seca, a densidade do solo poss´ıvel de ser obtida no comec¸o aumenta com a umidade, atinge
um pico de umidade o´tima ale´m do qual a densidade diminui, o que se explica pela ac¸a˜o lurificante da a´gua.
⇒ O solo resiste a` compactac¸a˜o por causa dua matriz r´ıgida e alto grau de ligac¸a˜o interpart´ıculas, que confere resisteˆncia
friccional a` deformac¸a˜o, que, no entanto, e´ enfraquecida com o aumento da umidade do solo, ”lubrificando as part´ıculas” e
tornando, assim, o solo mais compacta´vel.
Figura CCS1001. Curva t´ıpica de densidade-umidade para um solo de textura me´dia, no qual e´ indicada densidade global
ma´xima ating´ıvel com um esforc¸o particular de compactac¸a˜o.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 4 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactac¸a˜o do solo em campos agr´ıcolas
⇒ No contexto agronoˆmico, solos e camadas de solos sa˜o considerados estar compactados quando a porosidade total, e
particularmente a porosidade cheia de ar, sa˜o ta˜o baixas a ponto de restringir a aerac¸a˜o, ou o solo e´ muito firme e seus
poros ta˜o pequenos, a ponto de impedir a aerac¸a˜o e a drenagem.
⇒ Na Figura CCS1002 vemos uma ”fam´ılia” de curvas de umidade × densidade do solo, em altos teores de umidade fazem as
curvas convergir para um mesmo faixa com esforc¸os de compactac¸a˜o (de)crescentes.
Figura CCS1002. Fam´ılia de curvas de umidade densidade para diferentes esforc¸os de compactac¸a˜o (E1 > E2 > E3 > E4).
Note-se que a linha de 100% de saturac¸a˜o, representa a porosidade cheia de ar zero e e´ calculada, assumindo se o valor da
densidade de part´ıculas de 2,65 kg dm−3.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 5 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactabilidade do solo em relac¸a˜o a` umidade
⇒ Teste de Proctor - determinac¸a˜o da energia aplicada sobre uma amostra de solo e´ dada por:
E =
p.L.n.N
V
=
2,5.30.30.25
1000
= 5,625kgf /cm2 ' 560kPa. (1)
em que: E e´ a energia aplicada (kgf cm−2; p, o peso do soquete (2,5 kg);L, a altura da queda do soquete (30 cm); n, o
nu´mero de camadas (3); N, nu´mero de golpes aplicados por camada (25); e V , o volume do cilindro.
⇒ Na equac¸a˜o acima, a u´nica varia´vel que altera a energia aplicada e´ o nu´mero de golpes aplicados. Em muitos trabalhos sa˜o
aplicados 26 aplicados, ao inve´s de 25, como preconiza a norma NB-33 da ABNT.
⇒ Para a execuc¸a˜o de um ensaio de Proctor normal com 560 kPa de energia, aconselha-se o na˜o reuso do material.
⇒ Em cada ponto da curva usa-se uma subamostra distinta, necessitando-se de cerca de 15 kg de solo para cada ensaio
completo, passados em peneira de 4,8 mm.
⇒ Metologia de Nogueira (1998)
- Determinar a umidade inicial do solo;
- preparar 6 amostras de 2,5 kg , acondicionadas em sacos pla´sticos; - umedecer uma amostra ate´ conseguir molda´-la na ma˜o,
registrando o volume de a´gua adicionado;
- em seguinda acrescenta-se mais a´gua a`s demais amostras, misturando bem para que toda a amostra seja umedecida
uniformemente; a variac¸a˜o entre deve ser, no ma´ximo, de 2,5% para solos argilosos e de 1,5% para solos arenosos. ⇒ Para
determinar o volume de a´gua a ser adicionada usa-se a expressa˜o:
Va =
MSu
1 + UGi
× (UGd − UGi ) (2)
em que: Va e´ o volume de a´gua a ser adicionado (mL); MSu (g
1 g−1);UGi , a umidade gravime´trica inicial (g1 g−1); e UGd ,
a umidade gravime´trica desejada (g1 g−1).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 6 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactabilidade do solo × umidade - Ensaio de absorc¸a˜o da energia de compactac¸a˜o
Inicialmente usa-se a relac¸a˜o de energia empregada no ensaio de Proctor e os valores seguintes: 24,1; 36,1; 60,2; 84,3
kJ m−3, correspondentes, respectivamente, a 10, 15, 25 e 35 impactos de um soquete com massa de 2,50 kg , com
queda livre de 0,305 m, por camada de solo.
Os resultados obtidos foram ajustados pela equac¸a˜o:
Dsmax = a + b(Ec ) + c(Ec )
2 (3)
em que: Dsmax e´ a densidade ma´xima do solo (Mg m
−3);Ec , a energia de compactac¸a˜o (kJ m−3); a, b e c,
coeficientes de ajuste (Mg m−3, Mg kJ−1 e M m−3 kJ−2, respectivamente).
Figura CCS1002. Densidade do solo, considerando a energia de compactac¸a˜o utilizada no ensaio de Proctor para um
Argissolo Vermelho-Amarelo areˆnico, com umidade gravime´trica de 0,05 kg kg−1 (** modelo significativo com P ≤ 5%
pelo teste F ). (Braida et al., R. Bras.Ci.Solo, v.30, p.605-614, 2006).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısicado Solo ... 7 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactabilidade do solo em relac¸a˜o a` umidade
⇒ Metologia de Nogueira (1998)(cont):
Embalar as amostras em sacos pla´sticos, deixando-as em repouso por 24 h para adequada
redistribuic¸a˜o da a´gua entre todas as part´ıculas;
para compactar o solo iniciar pela segunda amostra, podendo a primeira ser compactada
tanto para o primeiro como para o u´ltimo (depois de reumedecida), conforme os
resultados obtidos nos outros pontos;
realizar a compactac¸a˜o em treˆs camadas, utilizando 25 golpes do compactador. Entre
uma camada e outra, proceder a escarificac¸a˜o da superf´ıcie para melhor contato entre as
camadas;
ss camadas devem ser as mais uniformes poss´ıveis. Como o cilindro tem 12 cm de altura,
cada camada devera´ ter em torno de 4 cm de espessura;
a u´ltima camada na˜o pode exceder em 1 cm o limite superior do cilindro; tomar cuidado
ao retirar o sobrecilindro para na˜o perder a amostra;
ajustar o volume de solo ao volume do cilindro, pesando o cilindro mais o solo u´mido
compactado;
retirar a amostra do interior do cilindro, utilizando um macaco hidra´ulico. Retiram-se treˆs
amostras para a determinac¸a˜o da umidade;
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 8 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactabilidade do solo em relac¸a˜o a` umidade
⇒ Metologia de Nogueira (1998)(cont):
obtida a umidade gravime´trica, (Ug), e de posse do da massa do solo u´mido (Msu) do
cilindro de Proctor, calcula-se a massa de solo seco pela expressa˜o:
MSu = MSs + Ma(massa de a´gua) (4)
como UG = Ma
MSs
, e´ poss´ıvel substituir Ma da expressa˜o anterior por
UG
MSs
.
Exemplo: MSu do cilindro=1900 g ;UG=0,25 g g−1;
. - Enta˜o: 1900 g=1 MSs +0,25 MSs ;
. - logo, MSs =
1900
1,25
=1520 g
. - Como o volume do cilindro = 1000 cm3,
. - a densidade do solo sera´ = 1520 g/1000 cm3
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 9 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactabilidade do solo em relac¸a˜o a` umidade
⇒ Ensaio de Proctor Normal Norma ABNT/NBR 7182/86 (ABNT, 2006)
Equipamento: SoilTest modelo CN-4230, com anel meta´lico 0,001 m3;
Treˆs camadas de solo; 25 golpes com soquete de 2,5 kg e queda livre de 0,305 m, com
energia de 60,2 k Jm−3;
Cinco ou seis teores de a´gua, com intervalos de 0,025 kg kg−1 Parte-se de um teor de
umidade pro´ximo a` umidade cr´ıtica;
Apo´s cada compactac¸a˜o, retiraram-se duas amostras (do topo e do fundo do cilindro)
para a determinac¸a˜o da umidade gravime´trica (UG);
Ajuste de modelo [5 ou 6 pares de valores de UG e densidade do solo (Ds )].
Ds = Dsi + a.e
(
0,5
(
Ug−Ugc
b
)2)
(5)
em que: Ds e´ a densidade do solo (Mg m−3), obtida em cada ponto do ensaio; Dsi , a
densidade inicial do solo (Mg m−3); a, incremento ma´ximo na densidade inicial do solo
(Mg m−3); b, coeficiente de ajuste (kg de solo kg−1 de a´gua); e, base do log neperiano;
UG , umidade gravime´trica (kg de solo kg−1 de a´gua); e UGc , umidade cr´ıtica de
compactac¸a˜o (kg de solo kg−1 de a´gua).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 10 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactabilidade do solo em relac¸a˜o a` umidade × teores de CO nosolo
Figura Curva de compactac¸a˜o de duas amostras de um Argissolo Vermelho-Amarelo areˆnico,
com dois diferentes teores de carbono orgaˆnico (** modelo significativo P ≤ 1% pelo teste F ).
(Braida et al., R. Bras.Ci.Solo, v.30, p.605-614, 2006).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 11 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
⇒ As grandezas das presso˜es exercidas na superf´ıcie do solo por ve´ıculos de rodas e lagartas
depende de uma forma combinada das caracter´ısticas da parte superficial do solo e das rodas e
lagartas envolvidos. ⇒ A maneira pela qual essas presso˜es sa˜o distribu´ıdas dentro do solo e as
deformac¸o˜es que elas causam dependem do padra˜o de pressa˜o na superf´ıcie, bem como das
propriedades mecaˆnicas e reolo´gicas do solo em profundidade.
Figura CCS1003. Deformac¸a˜o de pneuma´tico em contato com a superf´ıcie do solo: (a)
deformac¸a˜o no pneu e no solo;(b) deformac¸a˜o no pneu somente (Gill & Vanden Berg, 1962)[7].
⇒ Uma norma que se aplica aos pneuma´ticos (inflados por ar) e´ que a pressa˜o exercida sobre a
superf´ıcie de suporte e´ aproximadamente igual a` pressa˜o de inflagem. O peso total de um
ve´ıculo (em repouso) deve igualar-se a` soma dos produtos das presso˜es exercidas pelas rodas e
respectivas a´reas de contato; um aumento no peso deve ser compensado pelo achatamento dos
pneus e um aumento proporcional na a´rea de contato, sem mudanc¸a na pressa˜o de inflagem
(Figura CCS1003).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 12 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
⇒ Na realidade, ha´ considera´veis desvios do princ´ıpio acima, por ele na˜o considerar fatores tais
como a rigidez da parede dos pneus, a presenc¸a de garras ou costelas, o cisalhamento e a
patinagem, que sa˜o afetados pela barra de trac¸a˜o e as propriedades da base inferior do solo. Gill
& Vanden Berg (1962)[7] mostraram que as paredes r´ıgidas da carcassa do pneu fazem com que
as presso˜es nos cantos da a´rea de contato solo pneu sejam maiores do que aquelas pro´ximas do
centro (Figura CCS1004).
⇒ Quando a pressa˜o de inflagem e´ muito alta e o solo muito macio, um pneuma´tico pode
comportar-se como roda r´ıgida.
⇒ As garras nos pneus concentram uma alta pressa˜o em uma pequena frac¸a˜o de a´rea normal de
contato pneu solo. Essa distribuic¸a˜o desigual de presso˜es e´, no entanto, dissipada dentro de
15-25 cm superiores do solo, de forma que a uma profundidade maior permanece pequena
diferenc¸a entre as presso˜es introduzidas por causa dos pneus de garras e por pneus lisos.
⇒ Gill & Vanden Berg (1962) [7] mostraram que as paredes r´ıgidas da carcassa do pneu fazem
com que as presso˜es nos cantos da zona de influeˆncia, o efeito de massageamento
(esmagamento) das garras pode ser um fator determinante no ”enlameamento” do solo. No
caso das rodas r´ıgidas as presso˜es transmitidas ao solo dependem muito mais da maciez ou da
dureza do solo em si. Se a superf´ıcie e´ firme, a a´rea de contato e´ reduzida e a pressa˜o e´
relativamente alta. Se o solo e´ macio e facilmente deforma´vel, as rodas afundam no cha˜o, de tal
forma que uma mesma carga e´ distribu´ıda sobre uma a´rea maior. Consequentemente, as
presso˜es na˜o aumentam na carga acrescentada.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 13 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
Figura CCS01004. Padro˜es de distribuic¸a˜o de pressa˜o sob um pneu liso trafegando da direita
para a esquerda numa areia firme. As presso˜es de inflagem (a) 14 libras/pol2; (b) 10 libras/pol2; (c) 6 libras/pol2.
Os centros dos padro˜es tem presso˜es aproximadamente iguais a`s presso˜es de inflagem, enquanto que os padro˜es dos cantos
mostram pressa˜o maior devido a` rigidez da carcassa do pneu. Nota:1 libra= bar .(Gill & Vanden Berg, 1962) [7].
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 14 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
⇒ Valores de pressa˜o no solo causados por trilhos de lagartas → peso total do ve´ıculo pela a´rea
de contato com o solo.
⇒ Desvios → Tratores em movimento inclinam-se para tra´s → Ppresso˜es na parte traseira da
esteira podem dobrar de valor.
⇒ Essa inclinac¸a˜o na mudanc¸a de pressa˜o, acompanhada pelo cisalhamento, tende a aumentar
a` medida que o esforc¸o de trac¸a˜o pelotrator de esteiras e´ aumentado. A Figura CCS1005 ilustra
esse efeito.
Figura CSS1005. Compactac¸a˜o e deformac¸a˜o por cisalhamento combinados, produzidos dentro
do solo por um trator de esteiras em movimento. (Fonte: Taylor & Vanden Berg, 1966) [12].
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 15 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
⇒ Um padra˜o semelhante de cisalhamento e deslocamento do solo tem sido observado em baixo
de rodas em movimento (Figura CCS1006). A determinac¸a˜o das grandezas e distribuic¸o˜es das
presso˜es exercidas na superf´ıcie do solo e´ o primeiro passo para estimar a distribuic¸a˜o dos
esforc¸os dentro de um corpo de solo.
Figura CCS1006. Padro˜es de deformac¸a˜o e deslocamento sob uma roda em movimento. (Fonte:
Yong & Osler, 1966)[13].
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 16 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Teoria da Boussinesq
⇒ Os ca´lculos, baseados na teoria das fundac¸o˜es (Tschebotarioff, 1973), foram resumidos por
Chancellor (1976) [8] [9]. As equac¸o˜es que governam a teoria (Boussinesq, 1855) [6], embora
apenas pretendessem descrever a distribuic¸a˜o de pressa˜o em materiais ela´sticos uniformes,
tambe´m sa˜o usadas em mecaˆnica de solos e em solos agr´ıcolas (So¨hne, 1953; 1958) [10].
⇒ As equac¸o˜es da˜o as tenso˜es em qualquer ponto dentro de um corpo de extensa˜o infinita
devido a uma carga concentrada P aplicada normal a` superf´ıcie (Figura CCS1007).
⇒ Desprezando as componentes horizontais da tensa˜o, a equac¸a˜o para a pressa˜o vertical σz ,
com uma func¸a˜o da profundidade z de uma distaˆncia horizontal r , a partir do eixo de carga, e´:
z =
3F 3
2pi (r2 + z2)5/2
(6)
⇒ A teoria prediz que em qualquer plano e em qualquer profundidade a pressa˜o, aplicada por
uma carga P, e´ ma´xima diretamente embaixo da superf´ıcie de a´rea carregada e decresce em
direc¸a˜o aos eixos de dispersa˜o.
⇒ Diretamente embaixo do ponto de carga (r=0), a pressa˜o decresce com o quadrado da
profundidade (σz = 3aF/2piz2).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 17 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Teoria da Boussinesq
Figura CCS1007. Ilustrac¸a˜o da distribuic¸a˜o de presso˜es sob uma carga concentrada vertical a` superf´ıcie do solo de acordo com
teoria de Boussinesq (Boussinesq, 1885)[6]. Os c´ırculos representam linhas de igual tensa˜o vertical.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 18 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
⇒ Um padra˜o de distribuic¸a˜o de pressa˜o embaixo de uma roda traseira de um trator, computado por So¨hne (1958) com base na
teoria descrita por Boussinesq (1885) [6] (Figuras CCS1008 e CCS1009).
Figura CCS1008. Presso˜es verticais embaixo dos pneus de um trator computadas com base na teoria de Boussinesq, assumindo
o fator de concentrac¸a˜o ν = 5 e o solo com densidade e conteu´do de a´gua normais.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 19 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
⇒ Para aplicar essa teoria para predizer a propagac¸a˜o em profundidade das presso˜es aplicadas sobre uma a´rea finita da
superf´ıcie do solo, podemos dividir a a´rea finita em pequenas unidades e assumir que cada uma esta´ sujeita a uma carga
concentrada, cujo efeito se propaga em profundidade em um aˆngulo de 30o da vertical.
⇒ Para estimar a pressa˜o total atuando em qualquer ponto em um plano horizontal abaixo da superf´ıcie, precisam se adicionar
as contribuic¸o˜es das presso˜es devidas a` forc¸as atuando em cada elemento de superf´ıcie (Figuras CCS1008. e CCS1009).
Figura CCS1009. Distribuic¸a˜o hipote´tica de presso˜es verticais dentro do solo, como embaixo de rastro de lagarta, representada
por um conjunto de blocos verticais (1-7). O aˆngulo e´ geralmente representado como sendo de 300. (Tschebotarioff, 1973).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 20 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Presso˜es causadas no solo pela maquinaria agr´ıcola
⇒ Presso˜es sa˜o imprimidas ao solo, na˜o somente por ve´ıculos trafegando em sua superf´ıcie, mas tambe´m por ferramentas de
cultivo operando abaixo da superf´ıcie. Como as ferramentas de va´rios desenhos sa˜o forc¸ados para dentro e atrave´s do solo,
va´rios e diferentes efeitos podem ocorrer simultaneamente, na medida em que o solo e´ cortado, comprimido, cisalhado,
levantado, deslocado e misturado.
⇒ O espac¸o na˜o permite uma avaliac¸a˜o extensiva da distribuic¸a˜o das presso˜es causadas por diferentes tipos de implementos
(arados de aiveca, subsoladores, cultivadores, rotocultivadores, etc.). Presso˜es relatadas, causadas por instrumentos de cultivo
tem sido da ordem de 1 bar para um bulldozer; 2-4 bars para ”cortes de arados” e pe´s de arado”; e 5 1/2 bars estimados para
subsoladores. ⇒ A abordagem mais simples⇒ tentar predizer o afundamento de uma superf´ıcie de solo sob uma carga
aplicada:
Podemos supor que uma a´rea carregada ira´ afundar no solo ate´ que a forc¸a resistiva do solo (isto e´, a capacidade de
carga) esteja em equil´ıbrio com a forc¸a aplicada externamente;
Ignorando por um momento a dependeˆncia do tempo, o processo de afundamento e´ diretamente relacionada a` extensa˜o
do afundamento;
Desprezando, a dependeˆncia temporal, em seus estudos de compactac¸a˜o por implementos agr´ıcolas, Bernstein (1930...)
propoˆs a seguinte equac¸a˜o para relacionar a pressa˜o solo superf´ıcie P para o afundamento z:
P = K .zn (7)
em que: K e´ uma constante que tem sido chamada de mo´dulo de deformac¸a˜o , cujo valor depende do tamanho da a´rea
carregada e das propriedades do solo; n, uma constante que tambe´m depende das propriedades do solo; Berstein aplicou
o valor de 0,5.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 21 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compactac¸a˜o induzida no solo pela maquinaria agr´ıcola
A tensa˜o compactac¸a˜o estimada pela equac¸a˜o (10) e´ na˜o linear⇒ Com expoente n fraciona´rio⇒ incrementos
sucessivos de pressa˜o produzem incrementos decrescentes de compactac¸a˜o:
Causas: com a densidade crescente, a resisteˆncia coesiva e a resisteˆncia friccional aumentam com a pressa˜o sobre o solo.
Para avaliar explicitamente as propriedades coesivas e friccionais do solo Bekker (1950, 1960), elaborou o paraˆmetro
”mo´dulo de deformac¸a˜o de Bernstein” e relacionou o com o afundamento de rodas de ve´ıculos:
κ = κc + κφ (8)
em que: κc e´ o mo´dulo de deformac¸a˜o coesiva; κc , o mo´dulo friccional; e b, a menor dimensa˜o da a´rea carregada (isto
e´, largura). Logo,
P =
(
κc
b
+ κφ
)
zn (9)
Uma posterior modificac¸a˜o da equac¸a˜o de Bernstein foi proposta por Cohron (1971), para descrever a compactac¸a˜o em
profundidade (representada pela resisteˆncia do solo a penetrac¸a˜o):
Pz =
κ.zn
b
(10)
em que: Pz e´ a resisteˆncia do solo a` penetrac¸a˜o a qualquer profundidade; z medida em termos de forc¸a por unidade de
a´rea da ponta do penetroˆmetro; κ, n e b sa˜o definidos como anteriormente.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 22 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Compressibilidade do solo - Introduc¸a˜o
Tendeˆncia do comportamento do solo em relac¸a˜o a` umidade, a` natureza das argilas, a`
textura, aos estados de agregac¸a˜o e a` mate´ria orgaˆnica ⇒ os solos teˆm capacidades
varia´veis de suportar cargas; alguns solos sa˜o mais facilmente manejados apo´s per´ıodos de
chuvas e na˜o apresentam limitac¸o˜es ao crescimento vegetal (Reinert, 1990; Kondo,
1999a,b);
a diferenciac¸a˜o dos solos ainda e´ devida ao histo´ricode cargas a que solo foi submetido no
passado (Horn & Lebert, 1994);
para avaliar a compressibilidade dos solos as curvas de compressa˜o veˆm sendo utilizadas
para a determinac¸a˜o dos paraˆmetros que auxiliam a evitar que solos agr´ıcolas sejam
excessivamente compactados (Dias Ju´nior & Pierce, 1996);
as curvas relacionam o ı´ndice de vazios ou a densidade do solo com o logaritmo da carga
(pressa˜o efetiva) aplicada sobre solo;
a partir delas obte´m-se a pressa˜o de preconsolidac¸a˜o (σp), que e´ um paraˆmetro indicativo
da capacidade do solo para suportar cargas, e o ı´ndice de compressa˜o (Cc ), um indicativo
da susceptibilidade do solo a` compactac¸a˜o (Holtz & Kolvacs, 1981);
a presso˜es abaixo da pressa˜o de preconsolidac¸a˜o causa deformac¸o˜es ela´sticas (recupera´veis
ou revers´ıveis), ao passo que a presso˜es acima dela causam a deformac¸o˜es pla´sticas, na˜o
recupera´veis ou revers´ıveis;
A primeira reflete o a histo´rico das tenso˜es (cargas) a que o solo ja´ fora submetido e a
segunda, sua susceptibilidade a` compactac¸a˜o (Silva et al., 2002).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 23 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Consequeˆncias da compactac¸a˜o do solo pela maquinaria agr´ıcola
Distribuic¸a˜o de poros por tamanho
♣ O ”espelhamento” da base da camada ara´vel pelas
laˆminas (discos) de arado cria ”sola de arado” ou ”pe´ de
arado”;
♣ O massageamento pelas rodas, incluindo os efeitos da
patinagem, pode ser mais importante que a carga em si para
provocar a degradac¸a˜o da estrutura do solo e subsequente
compactac¸a˜o;
♣ Russel & Goss (1974) relatam que quando as ra´ızes de
cevada teˆm que superar uma pressa˜o externamente de 0,2
bar para alargar os poros, a taxa de elongac¸a˜o radicular e´
reduzida de 50%; se a pressa˜o do solo e´ aumentada para 0,5
bar , a expansa˜o radicular e´ reduzida em 80%;
♣ A compactac¸a˜o do solo reduz ovolume e a continuidade
dos poros maiores(Figura 10.11 e na Tabela CCS1001).
Tabela CCS1001. Faixas de poros em solo franco-arenoso∗
Faixas de diaˆmetros Densidade do solo (kg dm−3)
dos poros (µm) 1,63 1,79
>1000 3,8% 2,1%
100-1000 7,4% 4,2%
6-100 25,7% 12,5%
< 26,1% 30,5%
∗ Os nu´meros indicam a % por volume total do solo.
Sistemas de poros de um solo
Figura CCS1011. O sistema de poros de um solo: (a)
solo na˜o comprimido, (b) solo comprimido pelo
subsequente tra´fego entre fileiras na superf´ıcie; (c) solo
comprimido no cultivo com ”pe´ de arado”.
(Trouse, 1971).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 24 / 24
Cap. 10 - Compactac¸a˜o e compressibilidade do solo
Consequeˆncias da compactac¸a˜o do solo pela maquinaria agr´ıcola
Distribuic¸a˜o de poros por tamanho
♣ O ”espelhamento” da base da camada ara´vel pelas
laˆminas (discos) de arado cria ”sola de arado” ou ”pe´ de
arado”;
♣ O massageamento pelas rodas, incluindo os efeitos da
patinagem, pode ser mais importante que a carga em si para
provocar a degradac¸a˜o da estrutura do solo e subsequente
compactac¸a˜o;
♣ Russel & Goss (1974) relatam que quando as ra´ızes de
cevada teˆm que superar uma pressa˜o externamente de 0,2
bar para alargar os poros, a taxa de elongac¸a˜o radicular e´
reduzida de 50%; se a pressa˜o do solo e´ aumentada para 0,5
bar , a expansa˜o radicular e´ reduzida em 80%;
♣ A compactac¸a˜o do solo reduz ovolume e a continuidade
dos poros maiores(Figura 10.11 e na Tabela CCS1001).
Tabela CCS1001. Faixas de poros em solo franco-arenoso∗
Faixas de diaˆmetros Densidade do solo (kg dm−3)
dos poros (µm) 1,63 1,79
>1000 3,8% 2,1%
100-1000 7,4% 4,2%
6-100 25,7% 12,5%
< 26,1% 30,5%
∗ Os nu´meros indicam a % por volume total do solo.
Sistemas de poros de um solo
Figura CCS1011. O sistema de poros de um solo: (a)
solo na˜o comprimido, (b) solo comprimido pelo
subsequente tra´fego entre fileiras na superf´ıcie; (c) solo
comprimido no cultivo com ”pe´ de arado”.
(Trouse, 1971).
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 24 / 24
Hillel, D. Fundamentals of soil physics. N. York: Academic Press.
1980.
ASTM. Book of standards; part II. Philadelphia: Am. Soc. Testing
Mater., p.17 224. 1958a.
ASTM. Procedures for soil testing. Philadelphia: Am. Soc.Testing
Mater. 1958b.
Hillel, D. Applications of soil physics. N. York: Academic Press. 1980.
Terzaghi, K. Theorethical soil mechanics. N. York: Mc Graw Hill.
1973.
Boussinesq, J. Application des potentiels a` l’e´tude de l’equilibre des
solides e´lastiques. Guathier-Villais, Paris. 1885.
Vanden Berg, G.E. & Gill, W.R. Pressure distribution between a
smooth tire and soil. Transaction American Society of Agricultutral
Engineering, v.5, p. 1005-107. 1962.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 24 / 24
Chancellor, W.J. Compaction of soil by agricultural equipment. Div.
Agric. Sci. Univ. California, Richmond, California. 1965. [Boletim,
1881].
Tschebotarioff, G.P. Soil Mechanics, foundation and earth structures.
Mc-Graw-Hill Bokk Company, New, London. 1951.
So¨hne, W. H. Druckverteilung im Boden und Bodenverformung unter
Schlepperreiffen. Grundlagen LandTechnik. v.5, p.49-63. 1953.
So¨hne, W. H. Fundamentals of pressure distribution and soil
compaction under tractor tires. Agricultural Engineering,, v.39,
p.276-281,290. 1958.
Taylor, J.H. & Vanden Breg, G.E. Role of displacement in a simple
traction system. Transaction American Society of Agricultutral
Engineering, v.9, p.10-13. 1966.
Yong, R.N. & Warkentin, B.P. Soil Properties and Behaviour.
Amsterdam, Elsevier, 1975.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 24 / 24
Fro¨hlich, O.K. Druckverteilung im Baugrunde. Verlag von v.Julius
Springer, Wien. 1934.
Koolen, A. J. & Kuippers, H. Agricultural Soil Mechanics.
Springer-Verlag, Brelin, Heidelberg. 1983.
Timoshenko, S. & Goodier, J. N. Theory of Elasticity, Ed. 3.
Mc-Graw-Hill Book Company, New York, London.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 24 / 24