Stress distribution produced of a load in a Udivitrand during the
Achim Ellies Sch., Ricardo Smith R.,
José Cuevas B. José Dörner F. y Agustín Pröschle
T.
Instituto de Ingeniería Agraria y Sucios, Universidad Austral de Chile,
casilla 567 Valdivia, Chile
E-mail: aellies@uach.cl
Fecha de entrega de originales:28-08-2000
EFFECT OF MOISTURE AND TRANSIT FREQUENCY ON STRESS DISTRIBUTION ON DIFFERENT
SOILS
Key words: Preconsolidation, concentration factor, strength distribution.
In a Udivitrand, Hapludand and Palehumult of Southern Center Chile strength distribution generated by stress application to different soil wetnesess and traffic frequencies was determined. The strength was registered with transducers inserted on different soil depths. In soil with coarse texture dominate penetration of stress in the vertical sense. In soil with a finer texture stress propagation is multidirectional. A homogeneous distribution of stress is given by soil cohesion. Penetration in depth of stress in a drier soil is lesser than in a wet one, While finer soil texture increases range amplitude of stress for wet and dry soil humidity conditions. Concentracion factor depends on soil properties and theamount of applied load it is maximum below load center and diminishes toward the borders.. This coefficiet increases with soil moisture. When traffic frequency decreases concentration factor diminishes, this decreasing is more gradual in a wet soil that in a dry one.
Palabras Claves : Factor de concentración, distribución de tensiones.
En un Udivitrand, Hapludand y Palehumult del Centro Sur de Chile se determinó
la distribución de las tensiones generadas con la aplicación de
una carga para distintas condiciones de humedad del suelo y frecuencia de tránsito.
Las tensiones fueron registradas con transductores insertados a distintas profundidades
del suelo. En suelos de textura gruesa domina la propagación de las tensiones
en el sentido vertical. La propagación de las tensiones en los suelos
de textura fina es multidireccional. Una distribución espacial homogénea
de las tensiones se produce en suelos cohesionados. La profundidad de penetración
de las tensiones en un suelo seco es menor que en uno mojado. En suelos de textura
fina aumenta la amplitud del coeficiente de concentración entre un alto
y bajo contenido de humedad. El factor de concentración depende de las
propiedades edáficas y de la magnitud de la carga aplicada, es máximo
por debajo del centro de la carga y disminuye hacia los bordes. Al incrementar
la frecuencia del transito disminuye el factor de concentración, esta
reducción es más gradual en un suelo húmedo que en uno
seco.
Las presiones aplicadas sobre un suelo que exceden a su preconsolidación
inducen a cambios químicos, físicos y biológicos (Hartge
y Acornea, 1999). Las propiedades estructurales y mecánicas de los
suelos volcánicos están muy ligadas al manejo y uso del suelo.
Las propiedades estructurales modifican el balance hídrico y alteran
el desarrollo radical y por ende influyen en el crecimiento vegetal (Ellies
y Ramírez, 1994).
Los Andisoles se caracterizan por una abundante macroporosidad. La compactación
de estos suelos por lo general no genera problemas, porque el espacio del poroso
remanente después de una compactación, permite aún un adecuado
crecimiento vegetal.
Sin embargo, la destrucción de los agregados producido por un exceso
de laboreo, acentúa las sequías estivales y el largo del periodo
de saturación durante el invierno.
La alteración del balance hídrico con algunos sistemas de labranza
es recurrente, lo cual imposibilita prever el comportamiento del suelo (Ellies
y Contreras, 1997).
La susceptibilidad a la compactación depende de factores externos e internos
del suelo. Los externos se relacionan con el tipo, intensidad, frecuencia y
tiempo de aplicación de una carga. Los internos con la distribución
granulométrica, tipo de arcilla, contenido de materia orgánica,
densidad aparente, agregación contenido de humedad y propiedades mecánicas
(Horn, 1988).
En los suelos saturados la transmisión de las presiones producida con
una carga es más isotrópica, debido a la presencia de presiones
neutrales, es decir, el agua libre del suelo soporta parte de la carga. En estos
casos la distribución espacial de las tensiones es homogénea semejante
a las presiones hidrostáticas. Pero una vez desplazado el agua debido
a una gradiente hídrica, la distribución de las tensiones es anisotropita
porque la propagación de las tensiones se efectúa por los puntos
de contacto entre los sólidos ( Horn, 1988; Horn
y Lebert, 1994 ).
La estabilidad mecánica de los Andisoles se asocia al grado de encaje
de las unidades estructurales Las partículas primarias y secundarias
de estos suelos son muy rugosas y aristados, como el vidrio volcánico
(Ellies et al, 1999). La distribución espacial de las
partículas por forma y tamaño es heterogénea, este altera
en el número de puntos de contacto entre sólidos. Por estos puentes
se produce la propagación de las tensiones en el suelo.
Los modelos que describen la distribución de las presiones en el suelo
se basan en la teoría elástica y plástica de la tensión-deformación.
Esta establece que la deformación de un cuerpo es directamente proporcional
a la presión aplicada (Gupta et al., 1989 ; Horn.
1993 ; Gupta y Raper 1994). El modelo analítico
utilizado para describir la distribución de las tensiones asume que los
suelos son homogéneos, elásticos, isotópicos y semifinitos.
(Horn, 1993). Este modelo supone que la interfase suelo-rueda
puede aproximarse a infinitas cargas verticales puntuales que actúan
en un medio semifinito y elástico donde no se considera la modificación
que experimenta la distribución de las tensiones al variar las propiedades
físicas del suelo (Koolen y Kupiers, 1983).
Para describir la distribución espacial de las líneas isóbaras
en el suelo se utiliza el factor de concentración (Gupta
y Raper, 1994). Este factor es alto cuando domina la propagación
de la tensión de las líneas de fuerza en el sentido vertical.
Este factor disminuye cuando la propagación incrementa en el sentido
horizontal. El factor de concentración disminuye al aumentar la densidad
aparente e incrementa con el contenido de humedad. El factor de concentración
disminuye con el tiempo de aplicación de una carga. Durante los primeros
instantes de la aplicación de la carga la tasa de disminución
es alta (Horn, 1988).
Con celdas transductoras insertadas en el suelo se puede determinar la distribución
espacial de las líneas de fuerza en el suelo. Una celda equivale a un
transductor de fuerza, que transforma una fuerza o un peso en una señal
eléctrica. El elemento fundamental de la celda es una banda elástica-eléctrica
la cual esta ligada a un cuerpo elástico del captador, de manera que
la banda extensiométrica sigue la deformación que sufre el elemento
bajo una carga, donde se produce un cambio en la resistencia eléctrica
proporcional a la fuerza o presión externa aplicada (SUZPECAR,
1992).
El objetivo de esta investigación es cuantificar la distribución
espacial de las tensiones y el coeficiente de concentración producidas
por una carga para distintos contenido de humedad y frecuencia de tránsito
sobre suelos del Sur de Chile.
La distribución de las tensiones ejercidas por la presión de
un tractor se determinó sobre suelos con pradera naturalizada en un Udivitrand
(Serie Puyehue), un Hapludand (Serie Osorno) y un Palehumult (Serie Cudico).
Los lugares de ensayo se ubicaron en las provincias de Osorno y Valdivia (Chile).
Las mediciones se efectuaron al final de cada estación climática,
situación donde los suelos presentan distintos contenidos y distribuciones
de humedad en el perfil. En cada estación se cavaron calicatas y se insertaron
16 celdas transductoras en el suelo. Las celdas de registro unidimensional presentan
una deformación elástica al estar sujeta a una tensión.
La componente activa de estas celdas es un doble puente Wheatstone que al ser
deformado por una presión entrega una respuesta eléctrica proporcional
al esfuerzo aplicado.
Las celdas se introdujeron horizontalmente a 0,70 m desde la pared de la calicata,
a partir de los 10 cm de profundidad, con 4 celdas por nivel, evaluando estratas
de 15 cm de grosor hasta 0,85 m de profundidad. Las celdas se conectaron a un
compilador de datos (MECOMP 80 Mec 32) y este último a un computador.
El sistema registra 20 mediciones por segundo en cada celda transductora.
Un tractor de doble tracción (Ford 6610) transitó sobre la línea
de los sensores insertos en los distintos niveles de la matriz del suelo transitó).
Las pasadas de tránsito fueron 16 sobre una misma huella con mediciones
intermedias. La superficie de sustentación o contacto efectiva de la
rueda trasera varía según la dureza del suelo, esta se determinó
como el área de la elipse de contacto, calculándose la presión
medía de contacto o s (Cuadro 1). El factor de concentración
promedio de cada estrata se determinó con la ecuación propuesta
por Smith (1998).
En el Cuadro 2 resume las principales características físicas de los tres suelos estudiados
| Cuadro 2. Propiedades físicas de la estrata
su perficial de los tres suelos analizados. Physical properties of the upperlayer of the three analyzed soils . |
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En las Figuras 1 a 6 se gráfica la distribución de las tensiones
con la pasada 1 y 16 del tractor sobre una misma huella de los suelos estudiados
para la temporada más húmeda y seca. Las distancias en eje de
las abscisas y ordenadas se presentan en función del radio mayor de la
elipse de contacto suelo- rueda, donde x es la distancia horizontal desde el
centro de carga, z la profundidad de penetración; a radio mayor de la
elipse de contacto y s corresponde a múltiplos de la presión media
de contacto en la superficie, señalados en el Cuadro 1.
Una expresión relativa de las distancias en función de algún
parámetro de la superficie de contacto y de la tensión en función
de la presión media aplicada en la superficie, permite realizar comparaciones
con distintas superficies y presiones medias de contacto.
Las Figuras 1 y 2 muestran para el Udivitrand la distribución de las
tensiones para la pasada 1 y 16 del tractor para una condición muy húmeda
(invierno) y otra seca (verano). Con la primera pasada la tensión registrada
por debajo del centro de la carga a una profundidad equivalente al radio mayor
de la elipse de contacto es 1.4 veces más grande que la presión
media (s). Esta decrece levemente a 1.39 con la pasada 16. En condiciones secas
para la misma profundidad estos valores son considerablemente más bajos
y son 0.74 a 0.71 de la pasada 1 y 16 respectivamente.
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| Figura 1. Distribución de las tensiones producida por una
carga en un Udivitrand durante e! período. Stress distribution produced of a load in a Udivitrand during the |
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| Figura 2. Distribución de las tensiones producida por una
carga en un Udivitrand durante el período estival. Stress distribution produced of a load in a Udivitrand during the summer period. |
De los tres suelos analizados este es el más arenoso (Cuadro 2). La menor
penetración de las tensiones en un suelo arenoso seco se debe a que hay
una transferencia energética producida por el roce entre las partículas,
lo cual dificulta una penetración de las tensiones. En el suelo húmedo
la penetración vertical de las tensiones aumenta. Es decir, el coeficiente
de descanso debería aumentar con relación al suelo seco.
Las Figuras 3 y 4 muestran la distribución de las tensiones en el Hapludand.
A diferencia del suelo arenoso, la propagación de las tensiones se produce
también en un sentido horizontal. Esto permite que la carga sea soportada
por un mayor volumen desuelo. A una profundidad igual al radio mayor de la elipse
de contacto, la tensión para la condición húmeda es de
1.2 y 1.1 veces la carga media aplicada en la superficie, para la pasada 1 y
16 respectivamente. En el suelo seco la penetración se reduce para estas
pasadas a 0.98 y 0.83. El mayor desplazamiento horizontal de las tensiones se
explica por e! mayor contenido de partículas finas, la cual origina una
mayor cohesión interna. El suelo actúa más como un cuerpo
único y menos como un material particulado lo cual permite una propagación
horizontal de las tensiones.
El Hapludand también se compacta con el incremento de la frecuencia del
transito. Esto se demuestra con la disminución a la profundizaron de
las tensiones que adquiere el suelo con las sucesivas pasadas de maquinarias.
Esto es más notorio en el suelo seco que en el saturado. La proporción
volumétrica del agua en un suelo húmedo comprimido aumenta. Esto
reduce la cohesión y la lubricación entre las partículas
aumenta.
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| Figura 3. Distribución de las tensiones producida por una carga en un Hapludand durante el período invenal. Stress distribution produced of a load in a Hapludand during the winter period |
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Figura 4. Distribución de las tensiones
producida por una carga en un Hapludand durante el período estival.
Stress distribution produced by a load in a Hapludand during the summer period. |
Las Figuras 5 y 6 muestran la distribución de las tensiones en el Patehumult. La profundidad de penetración es la más baja de los tres suelos analizados. Con la primera pasada del tractor la tensión por debajo del centro de la carga a una profundidad equivalente al radio mayor de la elipse de contacto es igual a la presión media (s) aplicada en la superficie, la cual decrece a 0,81 con la pasada 16. En el suelo seco para esta profundidad estos valores no difieren mucho con 0.9 a 0.65.
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| Figura 5. Distribución de las tensiones producida por una
carga en un Palehumult durante el período invernal. Stress distribution produced by a load in a Palehumult during the winter period. |
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| Figura 6. Distribución de las tensiones producida por una
carga en un Palehumult durante el período estival, Stress distribution produced by a load in a Palehumult during the summer period. |
Este suelo con una alta proporción de porosidad fina (Cuadro 2) se
satura durante el invierno al aplicar una carga el agua el suelo soporta parte
de esta, es decir, se generan presiones neutrales. Esto permite una distribución
homogénea de las tensiones semejante a una distribución hidrostática.
En el suelo seco, las tensiones ejercidas por una carga se disipan inmediatamente.
Las presiones por debajo del centro de carga superan 4 veces a la presión
media aplicada. Con la frecuencia del tránsito, el suelo se compacta
sólo en los primeros centímetros donde se disipan las tensiones.
En esta investigación la penetración fue de menos de 10 cm sólo
se reportan registros en la primera línea de los transductores.
La Figura 7 sirve como ejemplo para los cambios espaciales que experimenta el
factor de concentración en el Palehumult. Este coeficiente siempre es
más alto por debajo del centro de la carga y disminuye hacia los bordes
del volumen de sustentación. El factor de concentración, no sólo
depende de las propiedades mecánicas del suelo en el instante de aplicar
una carga. Una presión produce de inmediato una compactación en
los sectores más tensionados. Esta compactación involucra un cambio
de respuesta a una tensión.
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| Figura 7 . Factor de concentración en función de
la distancia al centro de aplicación de una carga durante distintas
estaciones climáticas y frecuencia de tránsito en un Palehumult. Concentration factor in funclion of the distance to the center of application of a load during different climatic seasons and frequency of traffic oí in a Palehumult. |
Un suelo arcilloso húmedo es más inestable que uno seco. El factor
de concentración es más alto durante el tránsito invernal
que durante el estival. Los cambios estaciónales que experimenta el coeficiente
de concentración en el Palehumult es alto. La amplitud entre el suelo
húmedo y seco para la primera pasada del tractor por debajo del centro
de la carga es de 7.9 a 1.78. En el Udivitrand oscila entre 5.7 a 3.9 y en el
Hapludand 5.4 a 3.1.
Con el aumento de la frecuencia del tráfico disminuye el factor de concentración.
Esto es más notorio en un suelo húmedo que en uno seco. Un suelo
compactado adquiere una mayor capacidad de soporte, es decir, las tensiones
que resultan de la aplicación de una carga, se propagan más alrededor
de un eje horizontal. Esta resistencia mecánica se logra con un incremento
de la densidad aparente, es decir, una perdida del volumen poroso, en especial
los poros grandes.
La Figura 8 muestra los cambios que experimenta el factor de concentración
en el Udivitrand en función de la frecuencia de! tránsito a distintos
contenidos de humedad del suelo. Al incrementar las pasadas del tractor sobre
una misma huella este coeficiente decrece levemente en forma continua de 5,5
a 4,6 para una condición invernal y 5,1 a 3,5 para la condición
de primavera. Cuando el suelo esta más seco este coeficiente decrece
fuertemente con las primeras pasadas para mantenerse luego constante.
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| Figura 8. Factor de concentración durante distintas estaciones
climáticas y frecuencia de tránsito en un Udivitrand. Concentration factor during different climatic seasons and frequency of traffic in a Udivitrand. |
Al comprimir un suelo húmedo cambian las propiedades hídricas
y mecánicas. Disminuye la cohesión entre las partículas
y la conductividad hidráulica. Los cambios los cambios son menores al
comprimir un suelo seco, un eventual asentamiento se produce sólo con
las primeras pasadas del tractor.
Finalmente, el factor de concentración es una herramienta que permite
diagnosticar y caracterizar las respuestas mecánicas de un suelo a la
solicitud de una carga aplicada sobre la superficie. Permite inferir a que profundidad
y que volumen del suelo se compromete con el paso de la maquinaria.
* La distribución de las tensiones producidas por una misma carga depende
de la humedad y las propiedades físicas del suelo.
* Al incrementar la frecuencia del tránsito disminuye el factor de concentración.
* El factor de concentración depende de las propiedades del suelo y de
la magnitud de la carga aplicada
Esta investigación fue patrocinada y financiada por el proyecto Fondecyt
1970301
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