Propriedades mecânicas. Compactação do solo. J. Miguel Reichert, PhD CONSISTÊNCIA DO SOLO

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1 Propriedades mecânicas Compactação do solo Coistência do solo J. Miguel Reichert, PhD (prof. R. Horn-Kiel Univ.; prof. M.K. Shukla-Arizona St. Univ.; prof. Sivakugan; prof. J. Han- Univ. of Kaas) CONSISTÊNCIA DO SOLO CONSISTÊNCIA DO SOLO Resposta do solo às forças eternas que tentam deformá-lo ou rompê-lo. Manifestação das forças de coesão e adesão sob diferentes condições de umidade. COESÃO: atração entre partículas de mesma natureza (S-S) devido a: Atração eletrostática entre superfícies Atração molecular (Van der Walls) Materiais coloidais f = {ASE, HO, distância, orientação} ADESÃO: atração entre partículas de natureza distinta (L-S) devido a: Teão superficial d água (há necessidade ar) Soil Plasticity It is soils ability to change shape without cracking It depends on clay content of soil Sandy/coarse tetured soils are not plastic Plasticity Theories. Water Film Theory: soil cohesion depends on van der waals forces, electrostatic forces, cation bridging, surface teion etc. water content increases soil cohesion decreases. Critical State Theory: Soil is deformed but does not change volume. Soil is plastic and at critical state Atterberg Limits Shrinkage Limit: It is the lower limit of soil moisture content at which no further change in soil volume occurs. Lower Plastic Limit: Moisture content corresponding to lower limit of plastic range (suction of 5 to cm of water) Cohesion Limit: moisture content at which crumbs of soil cease to adhere when placed in contact with one another Sticky Limit: Lower limit of moisture content at which soil sticks to a steel spatula Upper Plastic Limit: this is known as liquid limit or lower limit of viscous flow. Soil water miture starts flowing at this stage. Upper Limit of Viscous Flow: miture of soil and water flows like a liquid

2 Atterberg Limits Border line water contents, separating the different states of a fine grained soil Plasticity Inde (PI) Range of water content over which the soil remai plastic Shrinkage limit Plastic limit Liquid limit water content Plasticity Inde = Liquid Limit Plastic Limit semisolid brittlesolid plastic liquid Shrinka ge limit Plastic limit Liqui d limit water content plastic Atterberg Limits Liquid Limit (w L or LL): Clay flows like liquid when w > LL Soil Indices Plasticity Inde: PI = UPL LPL Plastic Limit (w P or PL): Lowest water content where the clay is still plastic Liquidity Inde: LI = [w(%)- UPL]/PI Activity Ratio: AR = PI / Clay content (%) Shrinkage Limit (w S or SL): At w<sl, no volume reduction on drying Classifying Fines Casagrande s PI-LL Chart Purely based on LL and PI 6 U-line Plasticity Indet 6 Low plasticity Clays 35 5 Liquid Limit Intermediate plasticity High plasticity Silts Plasticity Inde 5 montmorillonite illite A-line 3 kaolinite halloysite chlorite Liquid Limit

3 Factors Affecting Atterberg s Limits. Clay Content. Clay Minerals 3. Echangeable cation. Soil organic matter (no net effect) Methods of Measurement. Casagrande Test. Drop-Cone test 3. Indirect methods:. Proctor Test. pf Curve 3. Hydraulic Conductivity. Viscosity 5. Shear Strength Estado de umidade Teores de água Formas de coistência CONSISTÊNCIA DO SOLO Seco Equilíbrio com o ar Tenaz SECO durez a COESÃ O Úmido Umidade equivalente Friável ÚMID O friabilidad e Capacidade de campo LP Plástica Molhado Acima da capacidade de campo Aderente ou pegajosa LL MOLHADO plasticida de MUITO MOLHADO Pegaj. ADESÃO Predomínio da fase líquida Fluída What is compaction? (Sob a ótica da engenharia civil) Compressibilidade Cisalhamento Compactação A simple ground improvement technique, where the soil is deified through eternal compactive effort. Compactive effort + water = Compactação do solo (sob a ótica agrícola) Processo em que há redução da porosidade por forças compressivas aplicadas ao solo História das pressões associada aos valores de umidade do solo = Estado ou Nível de compactação = Forças compressivas MENOS Forças descompactadoras (manejo do solo!) Dry Unit Weight Compaction Curve Maimum unit weight Dry of optimum Wet of optimum Zero air voids (S=%) Optimum moisture content, w opt Moisture Content (%) 3

4 Dry deity ( d ) d, ma Compaction Curve Soil grai deely packed - good strength and stiffness - low permeability Compaction Curve What happe to the relative quantities of the three phases with addition of water? air water soil Dry deity ( d ) difficult to epel all air lowest void ratio and highest dry deity at optimum w optimum water content Water content Water content Dry deity ( d ) Effect of Compactive Effort E (>E ) Increasing compactive effort results in: Lower optimum water content Higher maimum dry deity Effect of Compaction Energy Dry Unit Weight High energy Zero air voids (S=%) E Low energy Line of optimum Moisture Content (%) Water content Matéria orgânica e compactação do solo (Proctor) Palhada e compactação do solo (Proctor) Deidade do solo - Ds (g cm -3 ),,95,9,85,8,75,7,65, Dsma,8 % de CO,87 % de CO Ug c,,,,6,8,,,,6,8, Umidade gravimétrica - Ug (g g - ) Deidade máima - Dsma (g cm -3 ),3,,,,9,8,5, Ug c=,77 +,8 (CO) r =,67 Ds ma=,58 -,66 (CO) r =,8,,5,75,,5,5,75, Carbono Orgânico - CO (%),6,,,,8,6,,, Umidade crítica - Ug c (g g - ) Deidade do solo - Ds (g cm -3 ),9,85,8,75,7,65, Menor Ec Ds =,56 +,59(Ec) -,3(Ec) r =,98 Maior Ec 3% Ec dissipada 7% Ec dissipada Ec=3,6 kgf cm cm -3 sem palha ton ha - ton ha - 8 ton ha - ton ha - Ec=6, kgf cm cm -3 sem palha ton ha - ton ha - 8 ton ha - ton ha Energia de Compactação - Ec (kgf cm cm -3 )

5 Teões no Solo p Teões no Solo z z z z = Teão in situ devido ao peso do solo z = Teão adicional devido a cargas eternas Teão Total e Effetiva P P i Pu i ' P P Pui ' i u A A Deformação longitudinal de um corpo submetido a pressão aial e deformação angular A = teão total; = teão efetiva u = potencial matricial (pore water pressure) Pressão de precoolidação e índice de compressão Estudos sobre compactação do solos Pressão de precoolidação Índice de compressão Qualidade estrutural Pressão de precoolidação Índice de compressão Equipamento específico Tempo gasto Determinação bem difundida Capacidade de suporte de pressão do solo Suscetibilidade do solo à compactação Dificulta maior utilização Relações Umidade Deidade Teor de argila Teor de MO Relações Estimar esses dois parâmetros por meio de outros de obtenção mais fácil (pedotraferência) 5

6 Eaio de Compressibilidade Compressibilidade do Solo Oedômetro Carga Medidor de deslocamento Carregamento Amostra Solo Pedra porosa Compressibilidade Compressibilidade,5, Curva recompressão Índice de vazios,8 Prea de adeamento uniaial,7,3,,,,9 p Pressão aplicada, log kpa Cc Curva compressão virgem Estimativa da pressão de precoolidação V e V e Método de Casagrande A v s B log ( ) Índice vazios, e e Cuva e log(p) C r C c Curva coolidação lab Curva coolidação virgem Curva descarregamento C c = Índice compressiblidade z p c C r = Índice recompressão (relaação) Pressão, p (log scale) 6

7 Pressão de precoolidação e Coeficiente de compressão Latossolo Vermelho distrófico, 5 % de argila p = 9,65 + 5,8 RP r =,6 P<, 3 ds=,9-,3 ds =,7-,9 3 ds=,3-, ds=,68-,7 6 8,,,,,,6,8, DSi (Mg m -3) 6 8,3, 8, 6 Cc =,5 -,63 DSi r =,77 P<,,5 Cc Argissolo Vermelho amarelo, % de argila p (kpa) Pressão de Precoolidação, kpa Capacidade suporte, deidade e saturação do solo Grau de Saturação, % 3 RP (MPa) Compressibilidade cíclica 33 - Deformação na primeira compressão - Deformação final na compressão 3- Recuperação depois da compressão - Teão inicial na des / compressão 5- Teão final na des / compressão 3 Índice de relaação - 6 kpa - kpa - 5 kpa Carbono orgânico, % Precompression stress: chalk marsh under arable field conditio (pf.8) Pv (kpa) Effect of soil development and anthropogenic activity on soil strength p r e c o m p r e s s io n (k P a ) Ap 8 s tre s s A p App - Go - depth [cm) 5 Gro Grundwasser A l Gr 5 Tempo, s Tiefe (cm) Teão da Água Deformação Teão, kpa Deformação, m m Índice de compressão Matéria orgânica e compressibilidade do solo B t B g t - C - u n d is tu r b e d s o il c p m p a c t e d s o il 5 H a p lu d a lf d e r i v e d f r o m lo e s s 7

8 Eaio de Cisalhamento Direto P Pedra porosa Cisalhamento Solo T Caia de cisalhamento Prea de cisalhamento direto Teão normal P n A Teão cisalhante T A Eaio Cisalhamento Direto Structure orientation on soil properties in a plough pan due to shearing and compaction Cohesion Permeability Teão cisalhante, t (kpa) Resistência máima, t f Resistência residual, t r Deslocamento, d (mm) σ' = ( σ- ua) + X (ua - uw) f(k/ψ) Effect of stress application on pore functio Soil deformation by compaction and shearing Reduced hydraulic conductivity in combination with shear processes result in strength decline (=puddling) Critério de falha de Mohr-Coulomb coesão Teão cisalhane, (kpa) c f c tan f ângulo atrito Teão normal, (kpa) c e são medidas de resistência. Quanto maiores, maior a resistência. f é a teão cisalhante máima que o solo suporta sem falhar, quando sujeito a uma teão normal. 8

9 Critério de falha de Mohr-Coulomb 8 Coesão, kpa Resistência ao cisalhamento deve-se a dois componentes: coesão and atrito.. f c f tan f f tan c Coesão: efeito da deidade do solo componente fricional UG=3 % UG = 6 % 6 Latossolo Vermelho distroférrico típico 7 % de argila c f Deidade do solo, Mg m-3 Coesão: efeito da matéria orgânica do solo Estrutura não deformada y =,955 +, 53 R =,989 Agregados - mm 5 35 y =,88 -,898 R =,975 Tramissão de Teões no Solo y =, ,855 R =, y =, ,89 R =, Agregados <, mm 35 3 y =, ,839 5 R =,965 5 y =,35 + 3,83 R =, y = -,75 +,76 R =,377,8,6,, 3 Coeficiente de atrito Coef. de atrito 5 6 Solo argiloso GS mé dio 6,5% MOS 9

10 Teões de registro no tráfego da máquina sobre o SST SST - Stress state traducer DTS - Displacement Traducer System Deformação vs Funcionalidade Latossolo Argissolo Stress distribution under various tillage systems Permeabilidade Compressão Oissol, depth 7-5 cm Saturated hydraulic conductivity, cm hr- Air permeability, m s- Normalspannung 5 3E-5 Horizont, Tiefe (cm) p.5e-5 5 E-5 Ah n (kpa) Natürlicher Wald Traktor 3 E-5 ka, ms- Ks, cmhr-.5e-5 6 Al Bt 5E-6-5E-6 - -E Load, kpa 5 3 Cv Mähdrescher leicht Mähdrescher schwer Köpfrodebunker 7 / 9 cm Köpfrodebunker 6 / 8 cm Eigetabilität LLn Natural forest site

11 Compactação: tipo solo Stress distribution in arable soils Normalspannung Horizont, Tiefe (cm) n (kpa) 5 75 Konventionelle Bewirtschaftung Ap 5 5 App Traktor 6 Al Mähdrescher leicht Mähdrescher schwer Köpfrodebunker 7 / 9 cm Köpfrodebunker 6 / 8 cm Eigetabilität LLn Bt Cv Mechanical strength (precompression stress) for subsoils (3-6 cm) European scale (:) Resposta das culturas Estado de compactação Nível crítico? Ótimo Baio Alto Nível de compactação Indicador físico aliado a Indicador biológico Compactação: Indicadores físicos Microporosidade Ds Uv Porosidade total Deidade do solo Resistência à penetração Macroporosidade Rp Infiltração de água Melhor indicador?! Raíze s

12 Degree of compactio vs Soybea yield Relative crop yield (%) NT 8 CP 6 Oisol NTC Degree of compactness (%) Relações dos propriedades físicas com o rendimento de plantas Rendimento relativo (%) 8 6 Argissolo Latossolo Grau de compactação (%) Relação entre grau de compactação e rendimento relativo. Fonte: Suzuki, 5. Relações dos propriedades físicas com o rendimento de plantas Solo muito solto Sem estrutura Solo bem estruturado Solo compactado Estrutura degradada Compaction under no-tillage: What is the difference from conventional tillage? Penetration resistance, MPa Bulk deity, Mg m Muitos torrões Baia retenção de água Contato solosemente deficiente Contato solo-raiz deficiente Suscetibilidade da cultura à seca Boa aeração Boa retenção de água Boa infiltração de água Diminuição de riscos da cultura à seca Baia aeração Suscetibilidade da cultura à seca Restrições ao crescimento radicular Baia infiltração de água-escoamento superficial Depth, cm No-till pan Plough pan Topsoil vs Subsurface compaction Alfisol % clay Degradação estrutural em pastage Pastoreio rotativo h/piquete Gado leiteiro Pastagem: Trevo + tifton Sem mobilização do solo Latossolo muito argiloso Compactação superficial (5 cm) Ds =,5 Mg m -3 Mp = 5 a 8% Estado compactação Rendimento culturas Trigo redução (5%), por falta de oigênio. Soja menor resposta aos estados de compactação. Milho redução (5%) do rendimento. Feijão redução até 6%, por doenças de raiz.

13 Compactação induzida & produtividade de feijão safra / (chuva escassa) Resistência à penetração (MPa) 3 5 Resistência à penetração (MPa) 3 Dia 3-- Dia 3-- T T T Emergência = sem efeito significativo Área foliar, Altura & Produtividade = efeito significativo Profundidade (cm) Profundidade (cm) 3 5 Compactação induzida & produtividade feijoeiro safra /3 (chuvas regulares) Tratamento Compactação Compactação Compactação Soja Feijão 3 SPD,5 a Mg ha-,5 a SPD + esc.+grad. SPD + comp. ad.,3 a,5 a, a,6 b, a,6 b, a -5cm Ds -5cm Produtividade,7 3, (),75,8 (6) passadas Mg,85 Mg m-3, Mg ha- () Mitigação solos compactados Via mecânica Mitigação solos compactados Crotalária juncea Via biológica > 3 t ha- MS Guandú Anão Bioporos > t ha- MS Bioporos Raízes plantas recuperadoras Melhoria da estrutura do solo sob SPD Rotação de culturas + sistema radicular subsolante Controle tráfego umidade Ds <,75 Mg m-3 Ds >,85 Mg m-3 Guandú anão Crotalaria juncea Raízes: rotação cultural e poros biológicos Mecanismos sulcadores de semeadoras Nabo forrageiro Argissolo Vermelho Amarelo, % de argila 3

14 Grau de compactação e deidade referência Grau de compactação e deidade referência Reference bulk deity Degree of compactness DC = BD / Bdref Current bulk deity Bulk deity in a reference state Proctor test Disturbed soil samples (Carter, 99; Twedorff, 999) Uniaial compression test Disturbed soil samples Load: kpa (Hakason, 99) Undisturbed soil samples Load:.6 kpa (Suzuki, 5) Grau de compactação e Opções de deidade referência Deidade crítica com base no IHO e restrição às raízes BDref, Mg m y = R =.3 y = R =.5 y = R = Clay, g kg - Proctor kpa 6 kpa Ds c LLWR, Mg m Ds c LLWR=-.7 clay r = Clay, g kg - 5 Ds c Rest, Mg m -3 Dsc Rest = -.7 clay r = Clay, g kg - Qual deidade referência usar? Ds referência Coef. angular Intercepto IHO Restrição raízes kpa Proctor kpa Eemplo de uso eteivo de indicadores físicos de QS Áreas irrigadas por aspersão Projeto Irriga pivô central RS e Cerrados Planejamento da irrigação Caracterização dos solos

15 Coleta no campo: Uma trincheira a cada ha. Separação dos horizontes (camadas) do perfil do solo de acordo com a cor, espessura e tetura (tato). Coleta realizada na metade de cada camada Fonte: Carlesso (inf. pessoal) Área amostrada (%) NC C - D 8 6 Situação no RS C - M C - DM C-D (compactado pela Ds) = Ds > Nc C-M (compactado pela macrop) = Macrop < Nc C-DM (comp. pela Ds e macrop) = Ds > Nc e Macrop < Nc Superficial Intermediária Inferior Camadas do perfil do solo Fonte: Carlesso (inf. pessoal) Situação nos Cerrados Área amostrada (%) 8 6 C-D (compactado pela Ds) = Ds > Nc 8 C-M (compactado pela macrop) 6 = Macrop < Nc C-DM (comp. pela Ds e macrop) = Ds > Nc e Macrop < Nc 8 6 N C C - D Fonte: Carlesso (inf. pessoal) C - M C - D M S u p erf ic ia l In t erm e d iá ria In fe ri o r C a m a d a s d o p e r fil d o s o l o G O M G B A Coiderações Na agricultura, procura-se desenvolver e adotar manejos e tecnologias que contribuam para a sustentabilidade dos agroecossistemas. Essa contribuição pode e deve ser monitorada através de indicadores de qualidade do solo, os quais devem ser integradores de processos e relacionarem-se claramente com funções do solo. A integração de três propriedades do solo para formar o intervalo hídrico ótimo e, a partir dele, estabelecer a deidade crítica do solo para o desenvolvimento de plantas é um avanço na área de biofísica do solo. Contudo, indicadores mais simples e de fácil obtenção devem ser usados para orientar a tomada de decisão no campo, por eteionistas e coultores agrícolas. Coiderações Estratégias mais simples envolvendo a avaliação qualitativa do solo, que permitam ao técnico e ao agricultor visualizar aspectos do solo limitantes ao crescimento das plantas e a qualidade ambiental são apontadas. Essas estratégias, embora simples, normalmente não são utilizadas. Um bom indicador de qualidade física do solo é a distribuição das raízes das plantas, visualizadas em trincheiras abertas próima às plantas em pleno florescimento. Uma pá, um canivete e um observador atento são suficientes para avaliar a dimeão vertical (em profundidade), onde a qualidade do solo se epressa. Fronteiras?! 5

16 Algumas Fronteiras (prof. Mitchell-USA) Micro-mecânica Nano-technologia Processesos biológicos Seeing into the earth. CONCEPTUAL MODEL OF COUPLED MECHANICAL AND HYDRAULIC PROCESSES hydraulic components Rigidity of pore systems pore pressure Swelling,shrinkage Hydrology Mechanics Soil mechanical processes undrained elasto-plastic, hysteretic non - linear water suction dependent Water flues water, suspeion, heat non-linear, hysteretic pore water pressure, hydraulic potential Mechanical components crit. State soil mechanics eff. Stress Total Stress Richards et al Microestrutura - Reologia do solo A partir da relação teão-deformação em condição de oscilação, com deformação predefinida γ (amplitude de varredura), parâmetros específicos tais como o módulo de armazenamento G, representando a elasticidade, dureza ou rigidez do material, e o módulo de perda G (parte viscosa), viscosidade η, teão de escoamento (intersecção de G com G ), área de escoamento e a região de deformação viscoelástica linear. Nature has been practicing nano-technology since the beginning of the Universe. Navrotsky (3) Madroagregados Molécula orgânica Partículas de areia ou silte Domínio argila Microagregados - Eistem em domínios até 5 mm de diâmetro - Clusters de domínios são microagregados (5- mm) - Clusters of microagregates are macroagregados (-5 mm) Clay Domain Theory (Williams et al., 967) A interação do solo ou rocha com fluidos (e.g., intemperismo) é um fenômeno de nano-superfície. Brown, G.E. (), How Minerals React with Water, Science, 9, pp O quê nos espera Predictio are very difficult especially about the future (Neils Bohr) 6

17 Heavier than air flying machines are impossible. (Lord Kelvin, 895) I think there is a world market for maybe five computers. (Thomas Watson, Chairman of IBM, 93) We don t like their sound, and guitar music is on the way out. (Decca Records rejection of the Beatles, 96) 6 K ought to be enough for anybody. (Bill Gates, 98) Próimo assunto: Água no solo 7

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