Método alternativo de avaliação da pressão de preconsolidação por meio de um penetrômetro

Alternative method for the evaluation of the preconsolidation pressure through a penetrometer

Resumos

A curva de compressão do solo tem sido freqüentemente utilizada em estudos de compactação do solo. Essa curva representa graficamente a relação entre o logaritmo da pressão aplicada e a densidade do solo ou o índice de vazios. A pressão de preconsolidação divide essa curva em uma região de deformações recuperáveis e em uma de deformações não-recuperáveis. Por esse motivo, a pressão de preconsolidação tem sido usada como uma estimativa da capacidade de suporte de carga dos solos parcialmente saturados. A pressão de preconsolidação é obtida em laboratório por meio do ensaio de compressão uniaxial, o qual requer aparelhos sofisticados para a sua realização. Além do tempo gasto na realização do ensaio, há necessidade de usar um método gráfico ou de planilhas para a sua determinação. Uma maneira alternativa que visa minimizar este problema seria a calibração da pressão de preconsolidação com outras medidas de fácil e rápida obtenção. O objetivo deste trabalho foi propor um método alternativo de avaliação da pressão de preconsolidação por meio de um penetrômetro. Para isso, foram determinadas as pressões de preconsolidação e as resistências à penetração, no laboratório, na camada superficial de um Argissolo Amarelo (PA) e de um Plintossolo (FX) localizados na região de Aracruz, ES. Testes de campo foram efetuados em um Latossolo Vermelho-Amarelo (LV) localizado em Belo Oriente, MG. Os valores dos coeficientes de determinação foram significativos e variaram de 0,88 a 0,99. As equações que relacionam a pressão de preconsolidação (sigmap) com a resistência à penetração (RP) foram da forma: sigmap = a + b (RP). Pela equação, as pressões de preconsolidação serão estimadas em função da resistência à penetração e poderão ser utilizadas na identificação da compactação do solo e como uma ferramenta auxiliar de decisão sobre a realização ou não de determinada operação mecanizada.

compactação do solo; resistência à penetração; pressão de preconsolidação; modelagem

Soil compression curves are frequently used in compaction studies. These curves describe the relationship between the logarithm of applied pressure and the soil bulk density or void ratio. The preconsolidation pressure divides the soil compression curves into a region of recoverable and a region of unrecoverable deformations. Consequently, the preconsolidation pressure has been used as an estimate of soil load support capacity of partially saturated soils. The preconsolidation pressure is laboratory-obtained through the uniaxial compression test which requires sophisticated equipment. Besides the time spent on the test realization, it is necessary to use a graphic method or spreadsheet procedure for its determination. An alternative way to minimize this problem would be the calibration of the preconsolidation pressure by other ways of easy and fast achievement. Thus, the objective of this study was to propose an alternative evaluation method of the preconsolidation pressure by a penetrometer. For this purpose, the preconsolidation pressures and penetration resistance in the superficial layer of a Yellow Argisol (PA) and Plinthosol (FX) from Aracruz (ES), Brazil, were determined in the laboratory. Field tests were carried out with an Oxisol (LV) located in Belo Oriente (MG). The coefficients of determination were significant and varied from 0.88 to 0.99. The equations that relate the preconsolidation pressure (sigmap) with the penetration resistance (RP) were of the form: sigmap = a + b (RP). This equation permits the estimation of the preconsolidation pressure as a function of the penetrometer resistance, which may be used in the identification of the soil compaction and as a tool to come to a decision about realizing a particular mechanized operation or not.

Soil compaction; penetration resistance; preconsolidation pressure; modeling

SEÇÃO I - FÍSICA DO SOLO

Método alternativo de avaliação da pressão de preconsolidação por meio de um penetrômetro

Alternative method for the evaluation of the preconsolidation pressure through a penetrometer

M. S. Dias Junior^I; A. R. Silva^II; S. Fonseca^III; F. P. Leite^IV

^IProfessor Adjunto do Departamento de Ciência do Solo, Universidade Federal de Lavras. Caixa Postal 37, CEP 372000-000 Lavras (MG). Bolsista do CNPq. E-mail: [e-mail]

^IIAluno de Iniciação Científica. Bolsista do CNPq

^IIIEngenheiro Florestal, Aracruz Celulose S.A. Caixa Postal 331011, CEP 29197-000 Aracruz (ES). E-mail: [e-mail]

^IVEngenheiro-Agrônomo, Celulose Nipo-Brasileira S.A. Caixa Postal 100, CEP 35160-970 Ipatinga (MG). E-mail: [e-mail]

RESUMO

A curva de compressão do solo tem sido freqüentemente utilizada em estudos de compactação do solo. Essa curva representa graficamente a relação entre o logaritmo da pressão aplicada e a densidade do solo ou o índice de vazios. A pressão de preconsolidação divide essa curva em uma região de deformações recuperáveis e em uma de deformações não-recuperáveis. Por esse motivo, a pressão de preconsolidação tem sido usada como uma estimativa da capacidade de suporte de carga dos solos parcialmente saturados. A pressão de preconsolidação é obtida em laboratório por meio do ensaio de compressão uniaxial, o qual requer aparelhos sofisticados para a sua realização. Além do tempo gasto na realização do ensaio, há necessidade de usar um método gráfico ou de planilhas para a sua determinação. Uma maneira alternativa que visa minimizar este problema seria a calibração da pressão de preconsolidação com outras medidas de fácil e rápida obtenção. O objetivo deste trabalho foi propor um método alternativo de avaliação da pressão de preconsolidação por meio de um penetrômetro. Para isso, foram determinadas as pressões de preconsolidação e as resistências à penetração, no laboratório, na camada superficial de um Argissolo Amarelo (PA) e de um Plintossolo (FX) localizados na região de Aracruz, ES. Testes de campo foram efetuados em um Latossolo Vermelho-Amarelo (LV) localizado em Belo Oriente, MG. Os valores dos coeficientes de determinação foram significativos e variaram de 0,88 a 0,99. As equações que relacionam a pressão de preconsolidação (s_p) com a resistência à penetração (RP) foram da forma: s_p = a + b (RP). Pela equação, as pressões de preconsolidação serão estimadas em função da resistência à penetração e poderão ser utilizadas na identificação da compactação do solo e como uma ferramenta auxiliar de decisão sobre a realização ou não de determinada operação mecanizada.

Termos de indexação: compactação do solo, resistência à penetração, pressão de preconsolidação, modelagem.

SUMMARY

Soil compression curves are frequently used in compaction studies. These curves describe the relationship between the logarithm of applied pressure and the soil bulk density or void ratio. The preconsolidation pressure divides the soil compression curves into a region of recoverable and a region of unrecoverable deformations. Consequently, the preconsolidation pressure has been used as an estimate of soil load support capacity of partially saturated soils. The preconsolidation pressure is laboratory-obtained through the uniaxial compression test which requires sophisticated equipment. Besides the time spent on the test realization, it is necessary to use a graphic method or spreadsheet procedure for its determination. An alternative way to minimize this problem would be the calibration of the preconsolidation pressure by other ways of easy and fast achievement. Thus, the objective of this study was to propose an alternative evaluation method of the preconsolidation pressure by a penetrometer. For this purpose, the preconsolidation pressures and penetration resistance in the superficial layer of a Yellow Argisol (PA) and Plinthosol (FX) from Aracruz (ES), Brazil, were determined in the laboratory. Field tests were carried out with an Oxisol (LV) located in Belo Oriente (MG). The coefficients of determination were significant and varied from 0.88 to 0.99. The equations that relate the preconsolidation pressure (s_p) with the penetration resistance (RP) were of the form: s_p = a + b (RP). This equation permits the estimation of the preconsolidation pressure as a function of the penetrometer resistance, which may be used in the identification of the soil compaction and as a tool to come to a decision about realizing a particular mechanized operation or not.

Index terms: Soil compaction, penetration resistance, preconsolidation pressure, modeling.

INTRODUÇÃO

Recentes pesquisas na área de compactação do solo têm dado ênfase ao desenvolvimento de modelos matemáticos para a previsão da compactação dos solos (Dias Junior, 1994; Dias Junior & Pierce, 1996; Kondo & Dias Junior, 1999, Gysi, 2001; Canillas & Salokhe, 2002; Defossez & Richard, 2002). Um dos enfoques dessa modelagem tem considerado a pressão de preconsolidação do solo como sendo a propriedade que expressa a capacidade de suporte de carga dos solos parcialmente saturados (Kondo & Dias Junior, 1999; Dias Junior et al., 1999).

A pressão de preconsolidação é obtida em laboratório por meio das curvas de compressão do solo (Vargas, 1977; Holtz & Kovacs, 1981, Kondo & Dias Junior, 1999), as quais são obtidas pelo ensaio de compressão uniaxial, o qual requer equipamentos sofisticados para a sua realização. Além do tempo gasto nesses ensaios, há necessidade de adotar métodos, tais como os propostos por Casagrande (1936), Burmister (1951), Schmertmann (1955), Sällfors (1975), Anderson & Lukas (1981), Culley & Larson (1987), José et al. (1989), Lebert & Horn (1991), Dias Junior & Pierce (1995), para a sua determinação.

Apesar de estar o método para a determinação da pressão de preconsolidação difundido (Vargas, 1977; Holtz & Kovacs, 1981; Bowles, 1986), são necessários outros métodos alternativos que possam ser utilizados no campo. Uma alternativa para a sua determinação seria a calibração de seus valores com outras medidas de fácil e rápida obtenção no campo.

O objetivo deste trabalho foi propor um método alternativo de avaliação da pressão de preconsolidação por meio de um penetrômetro.

MATERIAL E MÉTODOS

Neste estudo, foram utilizados um Argissolo Amarelo (PA) e um Plintossolo (FX), localizados em áreas experimentais da região de Aracruz, ES. Para realizar os ensaios de compressão uniaxial, foram coletadas aleatoriamente na área sob eucalipto 27 amostras indeformadas na profundidade de 0—0,03 m (superfície do horizonte A) e de 0,35—0,38 m (topo do horizonte B), totalizando 54 amostras para cada classe de solo. Estas amostras foram usadas no ensaio de compressão uniaxial (Bowles, 1986; Dias Junior, 1994, Kondo & Dias Junior, 1999). No restante destas amostras, determinaram-se a textura (Day, 1986) e matéria orgânica (Raij & Quaggio, 1983) (Quadro 1). A área em estudo já havia sido plantada por dois ciclos, e as amostragens aconteceram ao final do terceiro ciclo, sendo a idade do povoamento de nove anos.

Para obter os modelos s_p = f(U), os ensaios de compressão uniaxial foram realizados em amostras com diferentes umidades, as quais foram, inicialmente, saturadas e, a seguir, secas ao ar no laboratório até se obter a umidade variando de 0,05 a 0,35 kg kg^-1. Obtidas essas umidades, as amostras foram submetidas ao ensaio de compressão uniaxial, usando-se um consolidômetro da marca Boart Longyear. As pressões aplicadas a cada amostra obedeceram à seguinte ordem: 25, 50, 100, 200, 400, 800 e 1.600 kPa. Cada pressão foi aplicada até que 90 % da deformação máxima fosse alcançada (Taylor, 1948), quando, então, foi aplicada uma nova pressão. Após o ensaio, as s_p foram obtidas de acordo com Dias Junior & Pierce (1995), usando as curvas de compressão do solo. A seguir, as s_p foram plotadas em função das umidades.

Próximo ao local de coleta das primeiras amostras, em ambos os solos e profundidades, foram coletadas mais 12 amostras indeformadas, nas quais se procedeu, em laboratório, à determinação da resistência à penetração (RP) em função da umidade. Nestas determinações, utilizou-se um penetrômetro de bolso da marca SOILTEST Inc., modelo CL-700, com capacidade de leitura até 500 kPa.

As curvas de regressão entre s_p e U e entre RP e U foram ajustadas, utilizando-se o software Sigma Plot 4.0 (Jandel Scientific), enquanto a comparação das regressões foi feita segundo procedimento descrito por Snedecor & Cocharan (1989).

Para avaliar a aplicação da equação s_p = f (RP) na identificação da compactação do solo, as pressões de preconsolidação de um Latossolo Vermelho-Amarelo, na profundidade de 0,10—0,125 m, foram obtidas pela equação s_p = 10^{(2,71—1,26 U)} , R² = 0,92 **, e as resistências à penetração pela equação RP = 10^{(3,13—2,43 U)}, R² = 0,88**, para mesmos valores de umidade, o que permitiu a obtenção da equação s_p = 99,39 + 0,39 RP, R² = 0,99**, conforme Dias Junior (2002). No campo, foram tomadas aleatoriamente seis determinações da resistência à penetração, em seis locais onde não houve tráfego de máquinas e em seis linhas de tráfego. Com a média das seis repetições, estimou-se a pressão de preconsolidação por meio da equação s_p = 99,39 + 0,39 RP a qual foi utilizada para identificar a compactação do solo.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As figuras 1 e 2 apresentam os modelos de sustentabilidade da estrutura para o PA e para o FX, respectivamente, para as profundidades de 0—0,03 e de 0,35—0,38 m. Estes modelos foram usados para obter as pressões de preconsolidação que foram plotadas em função da resistência à penetração obtida com o penetrômetro (Figura 5).

Os coeficientes de determinação das equações foram todos significativos e variaram de 0,80 a 0,87 (Figura 3). As equações para as profundidades de 0—0,03 e 0,35—0,38 m, em ambos os solos, foram estatisticamente diferentes, quando comparadas entre si, utilizando-se o procedimento descrito em Snedecor & Cochran (1989). O mesmo ocorreu quando se compararam as equações para a profundidade de 0,35—0,38 m para as duas classes de solo. Entretanto, as equações para a profundidade de 0—0,03 m do PA e do FX não foram estatisticamente diferentes, o que resultou na obtenção de uma única regressão para esta condição (Figura 4). Estas equações foram usadas para a obtenção da resistência à penetração que foram plotadas versus a pressão de preconsolidação (Figura 5).

A figura 5 apresenta as pressões de preconsoli-dação obtidas das equações apresentadas nas figuras 1 e 2 plotadas em função da resistência à penetração obtida das equações apresentadas na figura 4.

As equações que relacionam a pressão de preconsolidação (s_p) com a resistência à penetração (RP) foram da forma: s_p = a + b (RP) (Figura 5), concordando com os resultados obtidos por Dias Junior (1994). Estas equações foram todas estatisticamente diferentes pelo procedimento descrito em Snedecor & Cochran (1989). Portanto, o PA e o FX nas profundidades estudadas apresentaram equações distintas para estimar a pressão de preconsolidação em função da resistência à penetração.

Por ser a resistência à penetração uma medida de fácil determinação no campo, o uso destas equações representará não só uma simplificação do método, mas também uma economia de tempo na determinação da pressão de preconsolidação e, portanto, da capacidade de suporte de carga do solo no campo, a qual poderá ser usada como um critério auxiliar de decisão sobre o uso ou não das operações mecanizadas.

Para avaliar a aplicação da equação s_p = f (RP) na identificação da compactação do solo, as pressões de preconsolidação de um Latossolo Vermelho-Amarelo, na profundidade de 0,10—0,125 m foram estimadas por meio da equação s_p = 99,39 + 0,39 RP, R² = 0,99**, conforme Dias Junior (2002). Considerando que, na agricultura, a aplicação de pressões maiores do que a maior pressão suportada pelo solo deve ser evitada, para que não ocorra a compactação adicional do solo (Gupta et al., 1989; Lebert & Horn, 1991; Imhoff et al., 2001), e por constituir a pressão de preconsolidação um indicativo da máxima pressão aplicada ao solo no passado (Holtz & Kovacs, 1981; Dias Junior, 1994), a figura 6 foi dividida em três regiões com vistas em identificar a compactação do solo por meio da pressão de preconsolidação estimada, conforme descrito anteriormente. Nesta figura, três regiões foram consideradas: (a) uma região onde as pressões de preconsolidação são maiores do que as pressões de preconsolidação estimadas com a equação do intervalo de confiança a 95 %, considerada como sendo a região onde ocorre a compactação; (b) uma região onde as pressões de preconsolidação são menores do que as pressões de preconsolidação estimadas com a equação do intervalo de confiança a 95 % e maiores do que as pressões estimadas com a equação s_p = 10^{(2,71—1,26 U)} , sendo considerada a região onde há tendência em ocorrer a compactação do solo, e (c) uma região onde as pressões de preconsolidação são menores do que a pressão de preconsolidação estimada com a equação s_p = 10^{(2,71—1,26 U)} , sendo considerada como a região onde não ocorre a compactação do solo.

Os valores das pressões de preconsolidação estimadas por meio da equação s_p = 99,39 + 0,39 RP foram plotados na figura 6, obtendo-se a figura 7. Nesta figura, observa-se que as pressões de preconsolidação determinadas na linha de tráfego ocorreram na região de compactação do solo, enquanto as pressões de preconsolidação determinadas em locais onde não houve tráfego situaram-se na região em que não ocorre compactação do solo, demonstrando que as pressões de preconsolidação estimadas por meio da resistência à penetração podem ser usadas como um critério auxiliar na identificação da compactação do solo.

CONCLUSÃO

As pressões de preconsolidação podem ser determinadas em função da resistência à penetração do solo.

LITERATURA CITADA

Recebido para publicação em outubro de 2000 e aprovado em agosto de 2004

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  04 Fev 2005
• Data do Fascículo
  Out 2004

Histórico

• Aceito
  Ago 2004
• Recebido
  Out 2000