Achim Ellies Sch. y José Dórner
E
Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias Agrarias
Casilla 567, Valdivia. Chile.
1 Financiado por FONDECIT 1970301, Recepcion originales 23 de Agosto 1999.
Strength distribution in a Palehumult soil produced with agricultural machinery traffíc.
With transducer cells buried in the soil strength transmission produced by tractor pressure on a Palehumult was investigated. Measures were taken in the four seasons of a year. Bearing capacity and internal cohesion was determined from not altered soil samples. The soil water contents is decisive in strength transmission. During winter in soil layers with low hydraulic conductivity, neutral tensions are presented. When bearing capacity and aggregation increase, strength lines reach less depth and the concentration factor diminish. The concentration factor decreases when the traffic frequency increase, this was more notorious while drier is the soil.
Key words: Pressure transmission, concentration factor and soil stability.
Con celdas transductoras enterradas en el suelo se determinó
la transmisión de tensiones ejercidas por un tractor sobre un Palehumult.
Las mediciones se efectuaron durante las cuatro estaciones del año. La
capacidad de soporte y la cohesión interna se determinó a partir
de muestras no alteradas de suelo. El contenido de humedad del suelo es determinante
en la transmisión de tensiones. Durante el invierno las estratas del
suelo con una baja conductividad hidráulica presentan tensiones neutrales.
Al incrementar la capacidad de soporte y la agregación las líneas
de tensión no profundizan y el factor de concentración disminuye.
El factor de concentración disminuye al aumentar la frecuencia del tráfico,
la disminución es más notoria en un suelo mas seco.
Cuando la presión ejercida por la maquinaria agrícola
sobre un suelo supera a la capacidad de soporte disminuye el volumen arraigable.
Las presiones aplicadas sobre la superficie del suelo se transmiten en profundidad
por las tres fases. Cuando la presión supera a la resistencia del suelo
se alteran sus propiedades estructurales, químicas y biológicas
(Hartge y Horn, 1991; Horn etal., 1998).
Esto se expresa en una disminución de la capacidad de almacenamiento
de agua y de aire. Cualquier modificación en el sistema poroso del suelo
impacta el balance hídrico y el potencial en el rendimiento vegetal.
Con un manejo tradicional de un cultivo en hileras se transita en más
de un 80% de la superficie. La estimación de las perdidas económicas
para Estados Unidos de América producidas por la compactación
del suelo, alcanzan a cifras que superan el billón de dólares
por año (Kinney et al, 1992).
La resistencia mecánica de los suelos depende principalmente
de las propiedades de la fracción arcillosa. Cuando esta supera a un
tercio de la masa del suelo, las propiedades físicas de este corresponden
básicamente a la de un suelo arcilloso puro (Oades,1988).
La conductividad hidráulica es determinante en la propagación
de la presión en profundidad y del grado de deformación que experimenta
un volumen poroso granulado (Koolen y Kupiers, 1983). En
condiciones saturadas, la transmisión de las presiones es isotrópica
y la intensidad de propagación depende de la conductividad hidráulica
(Horn, 1988; Horn y Lebert, 1994). En condiciones
no saturadas la distribución de las tensiones es anisotrópica
por las fases del suelo (Horn, 1993).
Uno de los modelos que describe la transmisión de tensiones en el suelo
es de tipo analítico. Este modelo se basa en la propagación y
distribución de presiones en un medio homogéneo, elástico,
isotrópico y semifinito, paara una carga puntual en la superficie (Gupta
y Raper, 1994). Esta solución propone al factor de concentración
para describir la distribución espacial de las isolíneas de presión.
Para un material muy resistente en condiciones saturadas este factor oscila
entre 1 y 3 y en suelos blandos entre 6 y 9.
En suelos con una baja densidad aparente, el coeficiente de concentración
es alto porque las tensiones se transmiten a una mayor profundidad, las líneas
de tensión se orientan alrededor de un eje vertical que pasa por el centro
del área de contacto. En suelos estables estos valores son más
bajos y las tensiones se orientan preferentemente alrededor de un eje horizontal,
disipándose las tensiones en las estratas superficiales del perfil. En
suelos agregados la atenuación de las tensiones se produce en la superficie
y la orientación de estas es sobre un eje horizontal. El factor de concentración
decrece en los suelos agregados, firmes y secos (Horn, 1990).
El objetivo de esta investigación es cuantificar la distribución
espacial de las tensiones y del coeficiente de concentración generadas
por la carga de un tractor sobre un suelo Palehumult durante distintas estaciones
climáticas del año, para obtener herramientas de diagnóstico
y predicción de manejo.
La distribución de las tensiones ejercidas por la presión
de un tractor se determinó en un suelo Rojo Arcilloso (Typic Palehumult,
Serie Cudico). Ubicado cerca de La Unión (Chile). Para evaluar el efecto
de la humedad en el suelo, las mediciones se repitieron en todas las estaciones
del año.
Las tensiones se registraron con celdas transductoras de deformación
elástica y registro unidimensional. Estas se introdujeron horizontalmente
a 0,85 m desde la pared de una calicata a partir de los 10 cm de profundidad,
con 4 sensores por nivel, evaluando estratas de 15 cm hasta 0,85 m de profundidad.
Las celdas se conectaron a un compilador de datos (MECOMP 80 Mec 32) y este
a un ordenador. El sistema registro 20 mediciones por segundo en cada sensor.
Sobre la línea de los sensores insertos en los distintos niveles del
suelo transitó un tractor de doble tracción (Ford 6610). La frecuencia
del tránsito fue hasta 16 veces sobre una misma huella, para evaluar
los cambios que experimenta la distribuxción de las tensiones en el perfil
del suelo.
La superficie de contacto efectiva de la rueda trasera se determino a partir
de los dos ejes de la elipse del contacto, calculándose la presión
de contacto (S0) (Cuadro 1). También se determinó la
profundidad y la separación efectiva con la cual quedaron las celdas
una vez que se transito sobre la superficie del suelo. El factor de concentración
promedio de cada estrata se determinó con la ecuación propuesta
por Smith (1998).
Las características físico - mecánicas del suelo se caracterizaron
a partir de muestras inalteradas, extraídos con cilindros desde las diferentes
estratas tanto fuera y sobre la huella de la rueda. Se determinó, textura,
curva de retención de agua, capacidad de soporte, cohesión interna
y ángulo de roce interno (Ellies, 1996) y la fuerza
de retención del agua del suelo para cada condición de tráfico.
Cuadro 1 Presión
estacional estática ejercida por el tractor. |
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En el Cuadro 1 se detalla la presión ejercida por la
rueda trasera del tractor. La huella en el suelo seco en verano es menos profunda
y por ende, disminuye el área de contacto, lo cual implica un incremento
en la presión. La rueda se hunde más cuando el suelo se encuentra
húmedo (invierno), con esto aumenta superficie de contacto y por ende
la presión unitaria disminuye. Así la presión media del
mismo tractor en verano es de 78,8 hPa y en el invierno 60,7 hPa.
Las propiedades físico-mecánicas del suelo se detallan en el Cuadro
2. El suelo presenta en la superficie un 58% de arcilla la cual incrementa a
más de 80% en profundidad. El contenido de materia orgánica con
un 7% en el suelo superficial es bajo para un Palehumult. Esto junto al alto
contenido de arcilla permite inferir un desarrollo débil de la estructura.
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Cuadro 2 Propiedades
físico - mecánicas del suelo analizado |
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La fuerza de retención del agua durante las mediciones
en los distintos períodos va de acorde con las estaciones climáticas,
la tensión es mayor en verano (pF 4.7) y menor en invierno (pF 2.1).
A partir de la fuerza de retención del agua se pueden efectuar comparaciones
sobre el efecto de los distintos contenidos de humedad ya estos condicionan
la estabilidad del suelo. La resistencia mecánica de un suelo arcilloso
aumenta mientras más alta es la tensión del agua. Así la
capacidad de soporte del suelo superficial durante el verano es de 140 hPa y
en invierno sólo 71.3 hPa.
Las precipitaciones durante el período de las mediciones fueron muy bajas
(980 mm/ año) Durante el otoño el suelo no alcanzo a saturarse
en la superficie (pF 2.48) de manera que la tensión sigue alta, en profundidad
las tensiones hídricas se conservan similares a las del período
estival. Durante el invierno el suelo superficial tiende a saturarse (pF 2.0)
pero las tensiones en del subsuelo permanecen altas. El agua en estos suelos
penetra sólo lentamente en el suelo debido a su baja conductividad hidráulica
que no supera 2 m/d en el suelo superficial y a su capacidad de hinchamiento.
Durante la primavera la tensión del suelo superficial se conserva similar
a la de invierno (pF 2.1) pero en el subsuelo bajan en comparación con
el período invernal. Finalmente, las tensiones mas altas en todo el perfil
se presentan durante la estación estival.
En la Figura 1 muestra la distribución espacial de las isobares durante
las distintas estaciones climáticas. En las estaciones que tienen un
mayor grado de humedad estas penetran más en el suelo. Cuando la humedad
del suelo es máxima durante el invierno la isóbara de 50 hPa penetra
hasta 33 cm y en el centro de la huella, a 7 cm de profundidad la tensión
supera 170 hPa. Las tensiones no alcanzan valores extremos porque en un suelo
saturado parte de la carga es soportada por el agua. El ancho de huella a 7
cm de profundidad con una tensión superior a 50 hPa es de 56 cm. Durante
la primavera cuando el suelo empieza a secarse, las presiones son máximas
a 10 cm de profundidad y superan 250 hPa. La penetración de la isóbara
de 50 hPa es máxima con 34 cm y el ancho de huella a 7 cm de profundidad
con una tensión mayor que 50 hPa es de 52 cm. Con el suelo seco en verano
la isóbara de 50 hPa sólo penetra 16 cm en y las tensiones en
el centro de la huella a 7 cm una profundidad, sólo alcanzan 130 hPa.
En condiciones secas la tensión se disipa en la superficie. Al incrementar
la humedad durante el otoño, la isóbara de 50 hPa vuelve a penetrar
hasta 26 cm, sin embargo, en la superficie en el centro de la huella a 7 cm
de profundidad la tensión es inferior a 100 hPa. La escasa diferenciación
de las tensiones entre el borde y el centro de la rueda hace suponer que la
rueda del tractor estaba rígida. Finalmente, el ancho de huella a 7 cm
de profundidad con una tensión superior a 50 hPa es de 58 cm.
Figura 1 Distribución estacional de las isolíneas de tensión en un Palehumult.
Seasonal distribution of strengh lines in a Palehumult.
El efecto de la frecuencia del tráfico sobre la distribución de las tensiones durante la primavera y el otoño se representa en las figuras 2 y 3 respectivamente. En ambas estaciones, se observa una disminución en el ancho de la huella con tensiones superiores a 50 hPa. La penetración de esta isóbara en otoño se reduce al aumentar la frecuencia del tráfico. Así esta isóbara con la frecuencia dos penetra hasta 26 cm de profundidad y un ancho de 58 cm con la pasada 16 sólo 22 cm con un ancho de 44 cm. Durante la primavera este efecto es menos notorio.
Figura 2 Efecto de la frecuencia del tráfico durante la primavera en la distribución de las isolíneas en un Palehumult.
Effect of the traffic frequency during spring on strengh unes distribution in a Palehumult.
Figura 3 Efecto de la frecuencia del tráfico durante la prima ver en la distri-bución de las isolíneas en un Palehumult.
Effect of the traffíc frequency during spring on strengh lines distribution in a Palehumult.
En la Figura 4, muestra la variación del coeficiente de concentración
y la capacidad de soporte en el perfil. El incrementar de la capacidad de disminuye
se debe a una reducción en el contenido de humedad del suelo junto a
ello disminuye el coeficiente de concentración. Así a 30 cm de
profundidad la capacidad de soporte es de 98 hPa y el coeficiente de concentración
3 s/d. Al aumentar es coeficiente a 7 al reducirse la capacidad de soporte 60
hPa. Es decir, cuando la humedad aumenta, incrementa el coeficiente de concentración.
Figura 4 Distribución del factor de concentración en función de la profundidad y capacidad de soporte de un Palehumult.
Concentration factor distribution in function of depth and bearing capacity of Palehumult.
Un incremento de la capacidad de soporte en el perfil también puede ser una respuesta al grado de estructuración. El factor de concentración debería ser más bajo en la superficie del suelo donde la agregación es mayor. Esto se desprende también en la Figura 4 donde en la superficie para una capacidad de soporte de 100 hPa este coefeciente es cercano a 3, pero a 60 cm de profundidad con la igual capacidad de soporte este coeficiente incrementa a 6.5.
Durante el secado estival incrementa la curvatura de los meniscos,
responsables de la contracción de la masa del suelo Esto se expresa en
un aumento de la cohesión interna y de la capacidad de soporte (Cuadro
2). Con una mayor resistencia mecánica del suelo, las huellas que deja
el tractor durante el estío son incipientes. El suelo no se deforma con
la presión, aun cuando el área de apoyo es mínima y la
presión de contacto máxima (Cuadro 2). La mayor resistencia del
suelo disipa las presiones en la superficie, es decir, el coeficiente de concentración
es bajo (Fig. 1).
Al incrementar potencial mátrico del agua en el suelo de pF - 4.7 a pF
-2.48 durante el otoño (Cuadro 2) las isóbaras profundizan más
en el suelo, porque la capacidad de soporte y la cohesión interna disminuyen.
Aun cuando la presión de contacto baja debido a la mayor superficie de
contacto, sin embargo estas condiciones las tensiones producidos por el peso
de la maquinaria comprometen un mayor volumen de suelo.
Al saturase el suelo superficial durante el invierno las tensiones superficiales
son menores a las esperadas, probablemente debido a la presencia de presiones
neutrales. En este caso es el agua del suelo que debe soportar una parte de
la presión porque este percola con dificultad debido a la baja conductividad
hidráulica (< 2m/d), es decir, la presión se distribuye en
forma homogénea y es de tipo hidrostática. El agua presionada
deforma al suelo formándose huellas profundas y la estructura se deteriora
(Fig. 1).
Al incrementar ligeramente las tensiones del agua en el suelo durante a primavera,
la penetración de las líneas de tensión lega a ser máxima.
Con este contenido de humedad la disipación de la presión se produce
a mayores profundidades porque no existen presiones neutrales. El efecto de
la presión es máximo asentándose más el suelo.
La mar concentración de las isóbaras en algunas estratas reflejan
una disipación de las presiones, probablemente, debido a una mayor agregación
del suelo. Cuando el bulbo de presión es achatado el coeficiente concentración
es pequeño, esto hace suponer una estructura esta más fuerte.
Pero un suelo agregado tiene más porosidad gruesa donde la deformación
potencial del suelo tiende a ser mayor.
Durante la primavera período durante el cual se concentran las labores
agrícolas se transita con una mayor frecuencia sobre el suelo, la isóbara
de 50 hPa alcanza profundidades hasta 34 cm. La potencialidad de una deformación
del suelo es alta cuando la capacidad de soporte es más baja que la tensión
aplicada.
El efecto de la frecuencia de una misma carga difiere con el contenido de humedad
del suelo (Fig. 2. y 3). Con cada pasada del tractor el suelo se compacta, debido
a ello disminuye la profundidad de penetración de las tensiones. El suelo
resiste a las nuevas deformaciones, sin embargo, el aumento en la resistencia
debido al incremento en la frecuencia del tráfico, es menor mientras
más alto es el contenido de humedad. En este caso durante la primera
este efecto se hace menos notorio en comparación con un tráfico
frecuente a inicio de otoño.
Una mayor capacidad de soporte, implica una resistencia a la penetración
de las tensiones y por lo tanto un menor coeficiente de concentración.
Probablemente la mayor resistencia en estratas superficiales más agregadas
se debe a la ausencia de fuerzas neutrales porque la movilidad del agua debería
aumentar.
* El efecto de una carga ejercida sobre el suelo profundiza
más cuando aumenta incrementa el contenido de humedad en el suelo.
* El coeficiente de concentración se reduce al aumentar la capacidad
de soporte.
* Con un incremento en la capacidad de soporte las presiones ejercidas por la
maquinaria se disipan en la superficie.
* La profundización de las tensiones y el factor de concentración
disminuyen con un aumento en la frecuencia del tráfico.
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