Ángulo de fricción interna de un suelo agrícola franco arenoso de sabana del estado Monagas, Venezuela

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Revista Científica UDO Agrícola Volumen 12. Número 1. Año 2012. Páginas: 166-177

 

Ángulo de fricción interna de un suelo agrícola franco arenoso de sabana del estado Monagas, Venezuela

 

The internal friction angle of an agricultural savanna sandy loam soil. Monagas State, Venezuela

 

Américo José HOSSNE GARCÍA

 

Escuela de Ingeniería Agronómica, Núcleo de Monagas, Universidad de Oriente, Maturín. Apartado Postal 414, Monagas, Venezuela 6201-A. E-mail: americohossne@cantv.net y americohossnegarcia@gmail.com

 

Recibido: 15/08/2010

Fin de primer arbitraje: 31/01/2012

Primera revisión recibida: 27/03/2012

Fin de segundo arbitraje: 18/05/2012

Segunda revisión recibida: 25/06/2012

Aceptado: 27/06/2012

 

RESUMEN

 

Por propósitos agrícolas, las características de falla de un suelo (cohesión y el ángulo de fricción interna) son de interés en los aspectos del crecimiento radical, tenacidad del suelo, diseño de implementos, sistemas tractivos en la interfaz suelo/tracción, erodibilidad, elasticidad, deformación, infiltración, capacidad de campo, diseño de las fuentes de potencia y equipos autopropulsados. El objetivo consistió en evaluar: (a) El ángulo de fricción interna versus la cohesión aparente, la densidad seca, la tensión de compresión normal, la profundidad y la humedad, y (b) La influencia de la fricción interna en la resistencia del suelo. Metodológicamente se utilizó el aparato triaxial y el análisis de regresión para interpretar la variancia entre los parámetros. Entre los resultados se logró un ángulo de fricción interna media de 24,50o, el valor máximo fue de 36,98o para un 6 % de humedad. Se concluyó que: (a) la tensión normal fue la que más influyó sobre el ángulo de fricción interno, (b) Tuvo una relación altamente significativa e inversa con la humedad, (c) Disminuyó con la densidad aparente para valores menores de 1,73 g·cm-3 y al aumentar la densidad seca, la fricción incrementó rápidamente, (d) Se lograron valores altos del ángulo de fricción con respecto a la cohesión aparente a humedades entre 5% y 9% producto del aumento de la compactación o tensión normal, (e) El ángulo de fricción y la humedad fueron grandes responsables de la resistencia del suelo estudiado y (f) Tanto la cohesión como el ángulo de fricción interna actuaron independientemente.

 

Palabras clave: Resistencia del suelo, cohesión, tensión cortante, tensión normal, densidad, triaxial.

 

ABSTRACT

 

For agricultural purposes, characteristics of soil failure (cohesion and the angle of internal friction) are of interest in the aspects of root growth, soil tenacity, implement design, tractive systems on the soil/traction, erodibility, elasticity, deformation, infiltration, field capacity, designing power supplies and self-propelled equipment. The objective was to assess: (a) The angle of internal friction versus cohesion, bulk density, normal compression stress, depth and gravimetric soil moisture and (b) The influence of the internal friction on the soil resistance. Methodologically the triaxial was used and the regression analysis to interpret the variance between parameters. Among the results achieved an average internal friction angle of 24.50, the maximum value was 36.98 at 6% soil moisture. On concluded that: (a) The normal stress was the most influential on the angle of internal friction (b) varied inversely with moisture but highly significant (c) decreased with bulk density for smaller values ​​of 1.73 g·cm-3 and increasing bulk density, friction increased rapidly, (d) With respect to soil cohesion, high values ​​were achieved at soil moisture between 5% and 9% due to the increase of compaction or the normal stress, (e) The friction angle and the water content were huge responsible for the studied soil resistance and (f) Both the cohesion and internal friction angle of soil parameters acted independently.

 

Key words: Soil resistance, cohesion, shear tension, normal tension, density, triaxial.

 


INTRODUCCIÓN

 

La resistencia de un suelo de acuerdo a la ecuación de Coulomb, está en función del ángulo de fricción interna, la cohesión y la tensión normal (Heyman, 1998). Los componentes de la ecuación de Coulomb han sido estudiados por muchos investigadores como por ejemplo Escario y Saez, (1986); Gan et al., (1988); De Campos y Carillo, (1995); y Fredlund et al., (1997). Delage y Graham, (1996) agruparon varios resultados experimentales y observaron que la fricción podría aumentar con la succión según Escario y Saez, (1986) en suelos plásticos, Drumright y Nelson, (1995) en franco arenosos, o decrecer de acuerdo a Delage et al., (1987) y Maâtouk et al., (1996) en suelos limosos de baja plasticidad y en suelos piro plásticos imperturbados.

 

Los cambios en el ángulo de fricción interna con la succión fueron también considerados por Toll, (2000) en suelos gravosos (7% limo y 8% arcilla) en donde mostró un aumento del ángulo de fricción interna con un aumento de la succión. Los suelos franco arenosos tienen resistencia debido más que todo a la fricción. Arena y mezclas con arena gruesa tienen un ángulo de fricción superior que los suelos limosos sin plasticidad. Cuanto más denso esté el suelo, el ángulo de fricción es superior. Cuando existe el relleno de los espacios pequeños entre las partículas de suelo, hay mayor resistencia entrelazada y friccional para un suelo bien fraccionado que para un suelo granular uniforme. Partículas de suelo compuestas de cuarzo tienden a tener un ángulo de fricción superior que las partículas de duelo compuestas de carbonato débil. Las partículas grandes clasificadas según el tamaño, como las partículas de arena gruesa clasificadas según el tamaño, tienen típicamente la fricción superior que la arena. Debido a las variaciones en los tipos de suelos, gradaciones, los arreglos de las partículas, y la densidad seca; el ángulo de fricción es raramente uniforme con la profundidad (Day, 1994).

 

El ángulo de fricción de la arena es determinado por medios indirectos, como la prueba de penetración normal y la prueba de penetración de cono (Day, 1994). Daguar (1976) utilizó un cilindro torsional in situ y el método de corte horizontal o directo para determinar el ángulo de fricción interna en el suelo franco arenoso de sabana objeto de estudio y encontró un valor de 54,08° con el cilindro torsional y de 38,37° con la prueba directa; no especificó la humedad, pero observó disminución con el aumento de la humedad. Lambe y Whitman, (1979) encontraron que para suelos arcillosos un cambio de humedad de 23,5 a 21,3 % produjo un ángulo de fricción interna, sin variación, de 18° respectivamente.

 

Battika (1985) determinó el ángulo de fricción interna para el suelo franco arenoso de sabana objeto de estudio; utilizando el cilindro torsional in situ obtuvo 57,53° para 10,5 % de humedad y con el uso del aparato de corte horizontal 31,48° para una humedad 10,08 %. El objetivo general consistió en investigar el proceso resistente de los suelos agrícolas involucrando parámetros físicos mecánicos y la influencia de la humedad con el uso del triaxial. El objetivo específico consistió en evaluar: (a) El ángulo de fricción interna (f) versus la cohesión aparente (C), la densidad seca (rS), la tensión de compresión normal o esfuerzo desviador (s), la humedad (w) y la profundidad (Pro); y (b) El grado de influencia del ángulo de fricción interna en la resistencia (t) del suelo objeto de estudio.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

 

El muestreo para el análisis experimental se realizó en un suelo franco arenoso de sabana en el estado Monagas, situado a una altura de 147 msnm y coordenadas geográficas de 9° 41´ 33´´ latitud norte y 63º 23’ de longitud oeste; con una precipitación anual de 1127 mm y una temperatura media anual de 27,5 ºC. Bajo una vegetación típica de sabana: Chaparro (Curatella americana Dilleniaceae), Merey (Anacardium occidentale), Paja Peluda (Trachypogon y Axonopas sp), Manteco (Byrsonima crassifolia Malpighiaceae, Mastranto (Hyptis suaveolens Lamiaceae, Gramíneas, Ciperáceas, etc. El área de trabajo del suelo objeto de estudio seleccionado, pertenece a las condiciones de un Ultisol de sabana del grupo de los Oxic Paleustults familia de temperatura Isohipertérmic.

 

Los Cuadros 1 y 2 muestran las características físicas y químicas respectivamente del suelo. El tamaño de las partículas se encuentra en el rango establecido por Rucks et al., (2004) y CIVIL2121 (2012). La Figura 1 muestra la mayor representatividad de arenas de ese suelo en especial las arenas finas, las líneas de tendencia muestran que los  componentes varían muy poco para las diferentes profundidades a partir de las arenas muy finas hacia la derecha y que la mayor cantidad de componentes de menor diámetro se encuentran entre 45 y 60 cm de profundidad. Estos suelos ocupan una extensa área agrícola venezolana y son utilizados en la explotación de muchos rubros como maíz, sorgo, yuca y pastizales.

 

 

Cuadro 1.  Componentes físicos en porcentajes y diámetro promedio en mm de las partículas del suelo de sabana estudiado del Estado Monagas, Venezuela.

 

 

Componentes  Edáficos (%)

Profundidad (cm)

Arena muy gruesa

Arena

gruesa

Arena media

Arena fina

Arena muy fina

Limo

Arcilla

Caolinita

Materia Orgánica

0 –  15    (A)

0,22

2,91

12,18

39,13

13,93

19,43

12,2

0,38

15 – 30   (B)

0,52

2,23

11,07

41,09

10,51

18,38

16,2

0,27

30 – 45  (C)

0,30

2,46

10,30

34,56

12,58

21,6

18,2

0,20

45 – 60  (D)

0,33

2,64

10,84

30,69

14,63

20,67

20,2

0,13

Diámetro (mm)

1,41

0,72

0,37

0,151

0,07

0,053

0,024

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cuadro 2. Perfil químico del suelo estudiado. Suelo de sabana franco arenoso del Estado Monagas, Venezuela

 

Prof

pH

en pasta

H2O

pH

en pasta KCL

Materia

Orgánica

P

Cationes cambiables

(cmolc.kg-1 de suelo)

C.I.C.

(cmolc.kg-1 de suelo)

SB

(%)

SA

(%)

C4

orgánico

N2

  (cm)

 

 

(%)

(%)

(ppm)

Ca

Mg

Na

K

AL+3

H+

0 - 15

4,70

3,90

0,38

0,04

1,85

0,79

0,31

0,10

0,04

0,68

0,55

2,47

50,20

49,80

15 - 30

4,70

3,90

0,27

0,03

1,23

0,40

0,37

0,04

0,03

0,84

0,68

2,36

35,59

64,41

30 - 45

4,70

3,90

0,20

0,02

1,23

0,51

0,24

0,02

0,03

0,96

0,71

2,47

32,39

67,61

45 - 60

4,80

3,90

0,13

0,01

1,23

0,28

0,24

0,02

0,03

0,96

0,76

2,29

24,89

75,11

 

Prof: Profundidad (cm); P: Fósforo soluble en ácido cítrico; C.I.C.: Capacidad de intercambio catiónico; SB: Saturación de bases y SA: Saturación de acidez.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cuadro de texto:  
Figura 1. Contenido de arcilla, limo, arena muy fina, arena fina, arena media, arena gruesa y arena muy gruesa respectivamente versus el tamaño de las partículas, en los cuatro horizontes estudiados. Las tendencias del tamaño de las partículas versus profundidad son: (A) de 0-15 cm, (B) de 15 a 30 cm, (C) de 30 a 45 cm y (D) de 45 a 60 cm.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Se utilizó el aparato triaxial en compresión confinada con drenaje para determinar a C, f, rS y s. Se utilizó el equipo de compactación Mini Hardware para confeccionar los especímenes, los cuales tuvieron una altura y diámetro inicial iguales a las del cilindro moldeador. La velocidad del ensayo estaba calibrada para el tipo de prueba (1,2 mm/min). Cuando se presentaron fallas por deformación plástica las lecturas se tomaron hasta un 20 % de la deformación lineal, o cuando las lecturas del deformímetro de carga se repetían más de 4 veces. El muestreo estratificado se basó en el trabajo realizado por Espinoza (1970),  donde se practicó una estratificación del suelo, en el cual el estrato está clasificado como de textura superficial franco arenosa, comprendida en una superficie aproximada de 55 ha. Se perforaron 20 calicatas para la recolección de las muestras y se conformó como una muestra compuesta. La recolección de las muestras y ubicación de los pozos se realizó apoyado en el método de muestreo aleatorio simple. En cada uno de las áreas se realizó un muestreo del horizonte comprendido entre 0,00-0,30 m profundidad y 0.30-0.60 m, tomando muestras al azar del mismo. Estadísticamente la regresión, el análisis de regresión paso a paso y el análisis de regresión para el mejor subconjunto fueron empleados.

 

La muestra se secó al aire y luego se desmenuzó para eliminar los terrones. Se pasó por un tamiz de 4,69 mm y se volvió a desmenuzar. Al suelo estudiado para los estratos 0,00-0,30 m y 0,30-0,60 m se utilizaron 4 presiones de cámara (60, 120, 180, 240 kPa) y once (11) niveles base de humedad (5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15), con tres repeticiones para formar un sub-total de 132 unidades experimentales. Las unidades experimentales se representaron por los especímenes ensayados en la cámara de compresión triaxial.

 

La expresión matemática que relaciona la presión principal (s1) (igual a la presión principal de cámara (s3) más la carga del pistón o esfuerzo desviador), la cohesión (C) y el ángulo de fricción interna (f), está dada por (Crespo, 2007):

 

Las Ecuaciones 2 y 3 fueron usadas para el cálculo de f y r, obtenidas de la Ecuación 1 al establecer comparación con la ecuación general de la línea recta Y = A + B*X, (Hossne 2008):

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La resistencia del suelo se determinó utilizando la ecuación de Augustine Coulomb τ = C + s*tanf, en donde τ representa la tensión cortante o resistencia del suelo, C la cohesión aparente, s la tensión normal y fel ángulo de fricción interna.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

 

Estadísticamente se analizaron los datos con la regresión lineal paso a paso. Los resultados para la función f = F(w, σ, C, Pro) con una significancia total P de 0,000, un r2 de 0,964 y una correlación de Pearson, con una significancia de 0,05* y 0,01**, fue: (- 0,953**: 0,905**: 0,680**: - 0,218*) para cada término en el orden de influencia y de la función, produjo para el cuarto modelo la ecuación f = - 1,005*w + 0,062*s - 0,322*C - 0,034 Pro + 14,946. La regresión paso a paso mostró que la humedad (w) y la tensión normal (σ) fueron los que más influyeron en la fricción interna. El análisis de correlación lineal produjo signos diferentes a los derivados al realizarse la regresión lineal. Al determinar a f = F(w, σ, C, Pro) se observaron cambios de signos, posiblemente debidos a reajustes entre las demás variables producto de la alta multicolinealidad: el r de (w: s) fue de - 0,954, el r de (w: C) fue de - 0,798 y el r de (C: s) fue de - 0,914; el factor de inflación de variancia (VIF) para w fue de 20,556, para C de 9,752 y para s de 42,242. Al respecto según Adnan et al., (2006) el valor de VIF mayor de diez (10) es una indicación de multicolinealidad.

 

Se utilizaron dos procedimientos recomendados por Adnan et al., (2006): primeramente utilizando en lugar de las variables, la diferencia entre la variable y la media; sin embargo aunque se redujo el VIF no hubo respuesta satisfactoria; segundamente, se eliminó el factor w en el análisis de regresión paso a paso; los valores de VIF fueron: 6,29 para la tensión normal, 6,24 para la cohesión aparente y 1,03 para la profundidad. A pesar de la multicolinealidad, se obtuvo fdeterminado » fcalculado con correlación de 0,982**. En relación, de acuerdo a Ranjit (2005) y Hawking y Pendleton (1983) si el objetivo es simplemente predecir a Y de un conjunto de variables X, la multicolinealidad no es problema, la predicción sería exacta, y el r2 general (r2 ajustado) cuantifica lo bien que el modelo predice a Y; pero si el problema es entender como los valores de X impactan a Y, entonces multicolinealidad es un gran problema.

 

La alta influencia de la humedad sobre las variables independientes cohesión y tensión normal puede observarse en la Figura 2 en donde se muestra la relación entre el ángulo de fricción interna (°) con respecto a la humedad gravimétrica (%), cohesión capilar (kPa) y tensión normal (kPa). La figura tridimensional se llevó a cuatro dimensiones al utilizar el gráfico de burbujas incorporando la humedad representada por el diámetro de ellas. Se observa que el ángulo de fricción aumentó acentuada y rápidamente con el acrecentamiento de la tensión normal, y ligeramente con respecto a la cohesión para valores mayores de 20 kPa, pero en forma aproximadamente constante alterando muy poco los valores de la fricción interna. Esto indica que la cohesión aparenta aumentó por efecto de la tensión normal, sin influir sobre el ángulo de fricción interna. Se nota que la fricción fue inversamente proporcional con respecto a la humedad. Los mayores valores de la fricción se lograron para humedades entre 6% y 9,1% y cohesiones ente 19 y 34 kPa. Para la tensión normal de 401 kPa acompañada de una humedad del 5 % y cohesión de 64 kPa produjo un ángulo de fricción interna de 30º. Los cambios en el contenido de humedad tienen un efecto pronunciado en los parámetros C y f (ASAE, 1971).

 

 

Cuadro de texto:  

Figura 2. Representación gráfica del ángulo de fricción interna versus la cohesión, tensión normal y la humedad.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Faure (1981) señaló que cuando realizó gran número de pruebas rápidas consolidadas con el triaxial, sin drenaje, a una velocidad de compresión de 60 mm/s y 0, 0,1, 0,2, 0,3 y 0,4 MPa de presión a diferentes contenidos de humedad sobre caolinita pura (KO) y sobre una mezcla de arena con caolinita (31 %) (FK 31), para una energía de compactación de 0,6 MJ·m-3 (6,12 kg*cm/cm3); observó que cuando el contenido de agua aumentaba, el ángulo de fricción permanecía constante o disminuía lentamente; pero después decreció rápidamente en ambos casos. Las fuerzas cohesivas entre illita, esmectita o vermiculita son mayores que para caolinita, pero caolinita puede movilizar más altos valores de resistencia de cizallamiento expresados ​​como el ángulo de fricción interna (Gibson 1953; Horn, 1988). Al respecto Smith (1990) reportó entre un 70-80 % de arcillas caoliníticas y de un 5-10 % de feldespatos para el suelo objeto de estudio. Aquí la importancia de la transferencia de peso hacia las ruedas tractivas del tractor para aumentar la tracción en este suelo en donde su resistencia es más función del ángulo de fricción interna que la cohesión.

 

La Figura 3 representa gráficamente la variación del ángulo de fricción interna en función de la humedad gravimétrica para dos profundidades. Al resolver el sistema de las dos ecuaciones lineales mostradas, se encontró que el punto de corte fue para f = 26,25° y w = 10,24 % para las dos profundidades respectivamente; de aquí en adelante, los valores de f para el estrato 30-60 se colocaron por debajo. Esto se explicaría por el aumento de partículas más pequeñas al profundizar. Se observa que las humedades entre 9 y 10 % caracterizaron el fenómeno para la fricción interna, posiblemente debido a que el suelo se encontraba en el estado friable y mucho antes de la capacidad de campo, al respecto Hossne (2008b) reportó para este suelo una zona friable entre 7,63 % y 9,52 %, y la capacidad de campo para el suelo Ultisol de sabana se encuentra alrededor en un promedio de 12,6 % (Espinoza, 1970; Fermín, 1971; Mata, 1992; Hossne y Salazar, 2004). Battika (1985) encontró valores similares con el aparato de corte directo. García (2002) halló que en un suelo franco con las características siguientes: 39% de arena, 40% de limo, 21% de arcilla, 1,5% de materia orgánica, límite líquido 27%, límite plástico 19% y gravedad específica 2,64, el mayor ángulo de fricción interna fue de 27° para una humedad gravimétrica de 12% y una mayor cohesión de 24 kPa; observó poca variación de la fricción con respecto a la humedad. Posiblemente influyó el tipo de arcilla y el alto contenido de materia orgánica y limo.

 

 

Cuadro de texto:  

Figura 3. Ángulo de fricción (f) versus la humedad (w) del suelo franco arenoso de sabana para la profundidad 0-30 cm y de 30-60 cm.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La hipótesis de que el ángulo de fricción es independiente de la humedad del suelo se ha comprobado en muchos casos, pero no siempre es cierto. Por ejemplo, de acuerdo a Escario y Sáez (1986) el ángulo de fricción podría aumentar con la disminución de la humedad en arcillas plásticas,; según Drumright y Nelson, (1995) podría aumentar en una arena de cobre de relaves; de acuerdo Delage et al., (1987) y Maatouk et al., (1996) podría decrecer en los limos de baja plasticidad y en suelos no perturbados piroclásticos. Los cambios en el ángulo de fricción con las variaciones de la humedad del suelo fueron considerados por Toll, (2000) sobre Kiunyu de grava (7% de limo y 8% de arcilla) que mostraron un aumento de f con la disminución de la humedad del suelo. Razouki et al., (2007) reportaron que un suelo arcillo franco limoso con f entre 10º y 27º con el suelo parcialmente saturado, pero f se acercó a cero cuando estuvo saturado. Islam et al., (2006) observaron, en suelos CL, ML y MH, que la humedad poco influyó sobre el ángulo de fricción interna. Ahokas, (2002); Asmaranto et al., (2010) y De Campos et al., (1992), encontraron que un aumento de la humedad redujo el ángulo de fricción interna.

 

La regresión lineal paso a paso aplicada a la función f = F(C, ρS, w) con P de entrada de 0,05 y salida de 0,10; con las variables independientes C y ρS forzadas, y w libre, un r2 de 0,9788 y una correlación de Pearson con exclusión del intercepto de: (0,08603, 0,8980, 0,7258); produjo para el modelo resultante la ecuación lineal f = 0,00292*C + 40,5332*ρS - 3,18673*w - 13,6171, con un P general de 0,000 y un P de 0,96; 0,0015; 0,0000; 0,58 para el orden de la ecuación. El VIF fue de 23,4; 9,2; 8,4 para las variables independientes en el orden de la función. Sin embargo el análisis de regresión para el mejor subconjunto para las variables independientes w libre y la cohesión (C) como la densidad seca (ρS) forzadas, produjo a w como la más influyente, siguiéndole ρS y por último C, con r2 de 0,978. A pesar de la multicolinealidad fdeterminado » fcalculado con correlación de 0,9893**. La multicolinealidad fue objeto de la influencia que tiene la humedad sobre la cohesión y la densidad seca. En la ecuación se observa que la influencia de C sobre f fue muy pequeña (0,00292) con un r2 de 0,96 y un VIF muy alto (23,4); en cambio, ρS y w resultaron influyentes sobre f, mostrando la inconexión entre f y C .

 

Las derivaciones estadísticas armonizaron con los resultados de la Figura 4, en donde se observa que la cohesión influyó muy poco sobre la fricción, aparentemente sólo para valores altos de C y valores bajos de la compactación que ocurrieron a bajas humedades, pero en forma constante sin alterar los valores de la fricción interna. En correspondencia a estos resultados según ASAE, (1971) si f fuese medido en especímenes preparados a diferentes contenidos de humedad con el correspondiente proceso compactante, los valores de f podrían no estar correlacionados con la densidad seca alcanzada; además, los cambios en el contenido de humedad causaron un pronunciado efecto sobre f que los cambios en la densidad aparente. La presencia de películas de agua en las interfaces redujo substancialmente el ángulo de fricción interna, Kézdi (1974). El coeficiente de fricción interna de suelos livianos para un contenido de humedad dado aumenta al aumentar la compactación; para suelos de textura fina tienen una respuesta similar. Para las arenas el ángulo de fricción interna aumenta con la densidad aparente (ASME, 1971). En suelos de textura gruesa, el factor importante en impedir el crecimiento de raíces puede resultar de la superficie rugosa de las partículas de arena (Cruse et al., 1980). La fricción resultante entre el desplazamiento de partículas por la raíz en crecimiento previenen su expansión o alargamiento de las raíces de maíz; además, ciertamente la compactación intensificaría esta condición al mover las partículas más cerca Chaudhary et al., (1985).

 

 

 

 

Cuadro de texto:  
Figura 4. El ángulo de fricción interna en función de la densidad seca, cohesión aparente y la humedad.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De acuerdo a Greacen y Sands (1980) la descripción de la relación entre compactación y resistencia depende ampliamente de las teorías de mecánica de suelos. La densidad aparente seca (ρS) es la medida de los niveles de compactación y la resistencia del suelo es valorada con la ecuación de Coulomb (i= C + s*tanf), en donde τ representa la resistencia o tensión cortante, C la cohesión, s la tensión normal o compresión y f el ángulo de fricción interna. Según  Wiersum (1957) y  Fisher (1964) la densidad seca producto de la compactación, se basa en la reducción de los poros aeríferos, considerados como poros de 3 mm. Son muchas las investigaciones que relaciona a f con s y ρS: Hough (1969) y Day (1994) reportaron que para un suelo granular cuanto mayor es la densidad, mayor es el ángulo de fricción; Day (1994) registró que arena y mezclas con arena gruesa tienen un ángulo de fricción superior que los suelos limosos sin plasticidad, cuanto más denso esté el suelo, el ángulo de fricción es superior; Bjerrum et al., (1961) y Sands et al. (1979); Chancellor (1971) examinaron el ángulo de fricción en arenas con partículas entre 60-200 mm, encontraron f = 40º para una densidad máxima de 1,67 g·cm-3, que decreció linealmente a f = 30º para ρS de 1,45 g·cm-3 y para la densidad con valores menores 1,4 g·cm-3 decreció rápidamente a 20º; De Ploey y Cruz (1979) realizaron mediciones del ángulo de fricción encontrando que varió de 21º a 35º y la densidad seca varió entre 1,5 y 2,0 g·cm-3 para regolito desarrollado en gneis.

 

El  análisis de varianza para el ángulo de fricción interna (φ) con una media de 24,5º con un coeficiente de variación de 12,56, produjo alta significación con respecto a la humedad (0,0000), pero no hubo con respecto a la profundidad (0,4946). De acuerdo a Farinha, (2010) y Solanas et al., (2004) el coeficiente de variación entre 0 y 10 es muy bajo, y entre 10 y 20 es bajo. La prueba de la mínima diferencia significativa (MDS) (p ≤ 0,05) mostró que no hubo diferencia significativa de φ con relación a la profundidad (a las profundidades de 0 a 30 cm  y 30 a 60 cm se obtuvieron para φ 22,04º y 23,26º respectivamente), y con relación a la humedad se obtuvieron valores sin diferencia significativa de 35,84º a la humedad del 5% disminuyendo φ un 3,5% al aumentar la humedad hasta 10% para un φ de 30,06º.  Para una humedad de 9% el valor de φ fue de 27,09º.

 

En el Cuadro 3 se presentan las medias, mínimos y máximos del ángulo de fricción (f) obtenidos para las profundidades de 0-30 cm y 30-60 cm con  una significancia de 0,017. Se incluyeron los respectivos valores de la cohesión, tensión cortante y humedad. Se anexaron los respectivos valores de correlación, coeficiente de regresión, eta y linealidad. Se observa que tanto la humedad como la tensión normal influyeron más sobre el ángulo de fricción interna que la cohesión. El ángulo de fricción interna tuvo un valor promedio de 22,27° a la profundidad de 60 cm,  y de 21,22° a la profundidad de 30 cm sin diferencia significativa. Los mayores valores del ángulo de fricción interna fueron: (a) 36,86º para la profundidad de 60 cm, una tensión normal de 919,41 kPa, una cohesión capilar de 77,66 kPa y una humedad de 6,8% y (b) 35,74º para la profundidad de 30 cm, una tensión normal de 737,72 kPa, una cohesión capilar de 42,60 kPa y una humedad de 5,60%.

 

 

Cuadro 3. La media, valores mínimos y máximos del ángulo de fricción interna en función de la cohesión, tensión normal y humedad para las profundidades de 0-30 cm y 30-60 cm. Correlación, coeficiente de regresión, coeficiente Eta y linealidad.

 

Profundidad (cm)

Medias Φ  (°)

Φ  (°)

C  (kN/m2)

σ   (kN/m2)

w  (%)

30

26,70

13,94

6,35

261,40

14,58

30

35,84

60,69

811,32

6,22

60

22,30

0,63

0,36

154,03

16,59

60

36,98

46,88

790,86

6,10

r

 

0,68

0,905

- 0,953

r2

 

0,462

0,819

0,909

Eta

 

0,999

1,000

0,999

Linealidad

 

0,003

0,000

0,000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Estos resultados están apoyados por García (2002); Davison y Springman (2000); Mouazen y Ramón, 2002; Kemper y Rosenau, 1984; Fredlund y Rahardjo, 1993; Likos y Lu, 2002. Según Kézdi (1974), trabajando con suelo Osorno, encontró que el ángulo de fricción interna varió entre 20° y 48°. De acuerdo a Hough (1969) el limo y las arenas uniformes finas y medias tiene un ángulo de fricción interna entre 26° y 30°, los suelos incohesivos generalmente el ángulo de fricción interna es raras veces menor de 26° o mayor de 36°, en donde un valor de 30° puede ser asumido. Fountaine y Brown (1959) en pruebas en arenas con uso de una caja torsional de corte registraron un ángulo de fricción interna de 45° y de 44° a una humedad de 9 %. Daguar (1976) en el suelo franco arenoso de sabana objeto de estudio encontró un valor de 54,08° con el cilindro torsional y de 38,37° con la prueba directa; no especificó la humedad, pero observó disminución con el aumento de la humedad.

 

Battika (1985) determinó el ángulo de fricción interna para el suelo franco arenoso de sabana objeto de estudio; utilizando el cilindro torsional in situ obtuvo 57,53° para 10,5 % de humedad y con el uso del aparato de corte horizontal 31,48° para una humedad 10,08 %. En estas revisiones el ángulo de fricción interna varió de 20º a 57º, el obtenido en este trabajo varió entre 22º y 36º con las respectiva variaciones de la humedad, mostrando que el resultado para el suelo objeto de este estudio se encuentra sostenido por la bibliografía. Los resultados obtenidos por Daguar (1978) y Battika (1976) están más cercanos al ángulo de fricción interna de las arenas; mostrando esto, posibles errores experimentales.

 

La regresión lineal paso a paso para la función τ = F(σ, φ, C, w, Pro) con una significancia total P de 0,000, un r2 de 1 para el Modelo 5 y una correlación de Pearson de: (0,997**: 0,877**: 0,921**: - 0,936**: - 0,062) para cada término en el orden de influencia y de la función, produjo para el Modelo 5 la ecuación lineal  τ = 1,572*s - 6,768*f - 2,266*C +  2,133*w - 264,502. La regresión paso a paso mostró que la tensión normal (σ) y el ángulo de fricción interna (φ) fueron los que más influyeron en la tensión cortante (τ). Al determinar a t = F(C, s, f, w) por regresión lineal se observaron también cambios en signos producto de la alta multicolinealidad con un VIF de 86,18; 28,06; 24,83; 23,7; 1,3 para las variables independientes en el orden de la función. Sin embargo, tdeterminado » tcalculado con correlación de 1.

 

La Figura 5 presenta gráficamente la tensión cortante (τ) en función del ángulo de fricción interna (f), la cohesión capilar (C) y la tensión normal (σ) representada por el diámetro de las burbujas. Como se puede observar la fricción interna influyó más sobre la tensión cortante que la cohesión capilar.  Se distingue que la tensión normal fue la que más intervino sobre la tensión cortante. Se nota que sólo los valores altos de la cohesión fueron los que influenciaron sobre la tensión cortante. Esto coincide con los resultados obtenidos con la regresión lineal paso a paso. Al respecto Hossne et. al., (2002) encontraron que la resistencia del suelo objeto de estudio aumentó con el incremento de las presiones de cámara (tensión principal menor) y disminuyó inversamente proporcional con la humedad.

 

 

 

Cuadro de texto:  


Figura 5. Representación gráfica de la tensión cortante versus el ángulo de fricción, cohesión y la tensión normal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El agua se hace más estricta en los poros pequeños que en los poros dilatados. Por esta razón, un estrato de arcilla con sus pequeños poros puede sostener más agua que la arena. Los pequeños poros permiten que el suelo retenga más agua por la atracción capilar que es inversamente proporcional al tamaño de las partículas y que puede existir en cualquier suelo insaturado y su magnitud en general es inversamente proporcional al grado de saturación; es decir, el tamaño de los poros está relacionado con la cohesión capilar (cohesión aparente) originada por la compactación que ocasiona la cercanía entre las partículas reduciendo la macroporosidad, que aumenta cuanto más alto es el contenido de humedad, amplificando la retención de agua (Goering et al., (2003); Orr et al., (1975); Dobbs y Yeomans, (1982); Bygdén y Wästerlund, (2007); Kobayashi et al., (2008); Van Doren, (1976); Hillel, (1980); Reickoski et al., (1981); Voorhees y Lindstrom, (1984); Blackwell et al., (1985); Allegre et al., (1986) ; Maaitah, (2012), Lenaerts et al., (2008); Ugbe, (2011); Hunt, (1986); Ellies y Smith, (1998); Razouki y Kuttah, (2007); Shahangian, (2011)). En base a todas estas revisiones y a los resultados conseguidos, el posible efecto de la cohesión aparente sobre el ángulo de fricción interna, observarse en las Figuras 2 y 4, no es sino la consecuencia de la compactación sobre la cohesión; que al aumentar, aumenta la densidad aparente. Al respecto, el valor de VIF para s fue de 42,242 mostrando una alta multicolinealidad, mayor que el de la humedad que fue de 20,556; y según Adnan et al., (2006) el valor de VIF no debe ser mayor de diez (10). Esto soporta la conclusión de que la cohesión aparente y el ángulo de fricción interna actúan independientemente sobre la tensión cortante.

 

La resistencia de los suelos según las ecuaciones de Coulomb: t = C + s tan f y la ecuación de tracción de los suelos de Micklethwait (1994): H = A*C + V * tan f, están en función de C, f, s, A y V; en donde A es el área de agarre de las ruedas tractivas y V (A*s) el peso que reciben las ruedas tractivas. En el suelo objeto de estudio se encontró que las variables más influyentes en el comportamiento físico mecánico fueron el ángulo de fricción interna (f) y la tensión normal (s). Se podría inferir que el uso de cauchos con tacos cortos y buena transferencia de peso hacia las ruedas tractivas, mejorarían el uso eficiente del tractor. Se debe entender que la transferencia de peso debe estar en condiciones óptimas. Los valores altos del ángulo de fricción interna con cargas normales son de gran importancia práctica como por ejemplo en la mejora del tiro por aumento de peso en las ruedas tractivas; por el contrario, para los implementos agrícolas que se asen al suelo, mayores reducciones en los requerimientos de fuerzas por el suelo pueden lograrse disminuyendo las cargas normales; es decir, la transferencia de peso debe ser óptima (Fountaine y Brown 1959).

 

CONCLUSIONES

 

Entre los resultados se obtuvo un ángulo de fricción interna altamente significativo e inversa con respecto a la humedad, no hubo diferencia significativa para las profundidades de muestreo y tuvieron un valor de 27o para 9,91 % de humedad y un valor máximo de 36,98o para una humedad de alrededor 6 %. El orden de influencia de las variables independientes fueron como lo muestra la función: f = F(w, σ, C, Pro).

 

La humedad edáfica influyó sobre el ángulo de fricción interna mucho más que la densidad seca. Esto fue debido posiblemente a que la mayor compactación se logró a humedades altas. Con respecto a la densidad aparente, disminuyó para valores menores de 1,73 g·cm-3 y al aumentar  rS, el ángulo de fricción incrementó rápidamente.

 

La poca influencia observada de la cohesión sobre el ángulo de fricción interna fue sólo producto del efecto de la compactación o la tensión normal. Tanto la cohesión como el ángulo de fricción interna actuaron independientemente.

 

La función τ = F(σ, f, C, w, Pro) representa la tensión cortante en relación a las variables independientes en el orden de influencia. La tensión normal (σ) y el ángulo de fricción interna (f) fueron los que más influyeron en la tensión cortante (τ). Los altos valores de la cohesión aparente influyeron sobre la tensión cortante; y esto sólo se logró a bajos contenidos de humead ente 5 y 9 %.

 

De acuerdo a la ecuación de Coulomb, la resistencia de estos suelos son altamente influenciados por la humedad y el ángulo de fricción interna. Esto repercute sobre los sistemas tractivos. El ángulo de fricción interna mostró alta influencia sobre la tensión cortante en el suelo estudiado. Esto implica que los cauchos tractivos de tacos altos por su costo no deberían ser utilizados en estos suelos; también, que el peso vertical que reciben las ruedas tractivas es de mayor influencia que el tipo de estrías que utiliza el tractor o fuente tractiva en el sistema de tracción. La tracción sería mejorada (si es necesario) con la transferencia de peso (control automático de profundidad y el control posicional, ambos componentes del sistema hidráulico) y el lastrado de las ruedas tractivas.

 

 

AGRADECIMIENTOS

 

El autor desea expresar su agradecimiento al Consejo de Investigación de la Universidad de Oriente por el financiamiento y apoyo de esta investigación.

 

LITERATURA CITADA

 

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