Modelagem e determinação do estado crítico de consolidação a partir da relação massa e volume em solos canavieiros

 

R. B. Silva ¹, P. Iori², F. A. M. Silva¹, K. P. Lanças³ & M. S. Dias Júnior²

¹ Universidade Estadual Paulista, campus Experimental de Registro, Rua Nelson Brihi Badur, 4320, Vila Tupy, Vila Ponce, 11900-000, Registro/SP, Brasil, rbsilva@registro.unesp.br;

²Universidade Federal de Lavras – UFLA, Departamento de Ciência do Solo, Lavras/MG, Brasil;

³Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas, Botucatu/SP, Brasil

 

RESUMO

O trabalho teve por objetivo sugerir equações, as quais permitam estimar a densidade do solo (ρσp) e o volume total de poros (nσp), ambos referentes à pressão de preconsolidação (σp), propondo-os como indicadores físicos na avaliação da qualidade e do estado crítico de consolidação dos solos agrícolas. Os índices físicos foram obtidos por meio de ensaios de consolidação uniaxial de amostras indeformadas de um Nitossolo Vermelho, depois de submetidas aos seguintes estados de consistência: tenacidade, friabilidade e plasticidade. Os resultados permitiram estimar a ρσpeanσp que o solo pode atingir para que o mesmo não tenha a sua estrutura degradada. As equações mostraram-se ferramentas poderosas na avaliação da capacidade de suporte de carga dos solos podendo estimar a máxima relação de massa/volume que o solo pode atingir.

Palavras-chave: cana-de-açúcar, compressi­bilidade, pressão de preconsolidação, variabilidade espacial.

 

Modeling and determination of critical state of consolidation from mass-volume ratio in farmland

ABSTRACT

The objectives of this research was to suggest equations, to estimate the bulk den­sity (ρσp) and total porosity (nσp), on the pre-compression stress (σp), proposing them as indicators for the evaluation of the quality and the critical consolidation state of farm­land. The physical characteristics were ob­tained by uniaxial precompression tests of undisturbed samples of an Alfisol after be­ing subject to the following states of con­sistency: toughness, friability and plasticity. The results allowed estimating the ρσp and nσp which the soil can reach without having its structure degraded. The equations were shown to be powerful tools in assessing the soil bearing capacity and the maximum mass-volume ratio that may reach the ground.

Key-words: compressibility, preconsolida­tion pressure, spatial variability, sugar cane

 

INTRODUÇÃO

Avaliar a compacidade da estrutura dos solos agrícolas, no contexto da Agricultura de Precisão (AP), tem se constituído uma tarefa trabalhosa e de custo muito elevado, uma vez que a precisão da informação em função do tempo e espaço requer equipamentos e metodologias que se adéqüe às exigências desta atividade.

A modelagem da capacidade de suporte de carga (CSC) do solo por meio da predição da pressão de preconsolidação (σ_p ) foi proposta por Silva et al. (2005) como alternativa para avaliar e quantificar o processo de compactação em áreas sucroalcooleiras. Todavia, apesar de se constituir uma ferramenta preditiva e auxiliar no dimensionamento do parque de máquinas, assim como, no planejamento de manejos subseqüentes, o custo desta tecnologia, ainda não tem sido possível de ser adicionado no planejamento agrícola.

Desta forma, a caracterização (qualitativa e quantitativa) de índices físicos como, a densidade e a porosidade do solo tem sua relevância, especialmente quando elas puderem auxiliar em decisões, como por exemplo, a de respeitar a capacidade de suporte de carga (CSC) dos solos, possibilitando a preservação da estrutura do solo nos manejos subseqüentes, por meio da estimativa do estado crítico de consolidação do solo. Em adição, alem da simplicidade de sua determinação, estas propriedades são de ampla utilização em estudos de avaliação da estrutura e compactação do solo.

Uma alternativa a ser considerada, portanto, são a modelagem e predição da densidade do solo (ρ_σp ), assim como o volume total de poros (n_σp ) , ambos referentes à pressão de preconsolidação (σ_p ). Α σ_p, de acordo com Dias Junior (1994) e Dias Junior & Pierce (1995) é a pressão que um determinado solo, parcialmente saturado, pode suportar sem que o mesmo venha sofrer compactação adicional. De acordo com a metodologia para obtenção da σ_p, utilizada por estes autores, entre outros, Silva et al. (1998), Kondo & Dias Junior (1999), Miranda (2001), Silva et al. (2002), Silva et al. (2003a), Silva et al. (2003b) e Silva et al. (2004), também é possível quantificar ρ_σp e e em adição também estabelecer n_σp relações, a exemplo da σ_p, com a capacidade de suporte de carga (CSC) e a degradação da estrutura dos solos agrícolas. A ρ_σp ea n_σp representariam, portanto, a maior densidade e a menor porosidade (valores críticos), que um solo deve ser submetido. Estes índices indicariam a relação crítica de massa e volume a ser alcançada por um solo, para que o mesmo tenha preservado de forma sustentável, a sua estrutura.

Os valores de ρ_σp ea n_σp podem ser obtidos concomitante com σ_p, por meio de uma metodologia denominada ensaio de consolidação, cuja definição consiste no processo de transferência gradual de uma carga aplicada à água dos poros do solo para a sua estrutura, até que todos os vazios do solo sejam comprimidos (US Department of the Army, 1970). O ensaio, que preconiza a utilização de um consolidômetro é feito em corpos-de-prova indeformados, o que possibilita a melhor avaliação da história de tensão e do manejo do solo (Dias Junior & Pierce, 1995).

É sabido que o uso da densidade do solo, especificamente a relativa, tem sido proposta por alguns pesquisadores para caracterizar o estado de compactação do solo (Hakansson, 1990; Lipiec et al., 1991; Marcolin, 2006). Ela consiste da relação entre a densidade do solo atual (Ds_i) pela densidade máxima do solo (Ds_max), sendo esta última obtida pelo ensaio de Próctor (Carter, 1990), um método destrutivo da estrutura, que, certamente, apaga a história de tensão do solo. Apesar de se tratar de um índice, esta maneira de se obter a densidade máxima - Ds_max pode não ser a mais adequada, quando o objetivo for avaliar a estrutura de solos agrícolas.

Em adição ao exposto acima, independente da escolha de qual atributo do solo deva ser o mais apropriado em estudos de avaliação da compacidade, o tamanho da área agrícola e a dependência espacial tem sido os fatores preponderantes na definição do número de amostras. E neste último caso, o custo, tem sobressaído. Motivos como estes têm possibilitado, cada vez mais, o uso dos recursos geoestatísticos e das técnicas de AP para elaboração de mapas em estudos de avaliação da estrutura dos solos agrícolas (Silva et al., 2005).

O uso desta tecnologia pode propiciar uma melhor avaliação dos atributos propostos neste estudo ( ρ_σp e a n_σp ), como indicadores do estado crítico de consolidação do solo, além de facultar a precisa localização de áreas com maior ou menor problema estrutural.

O trabalho teve por objetivo sugerir equações, as quais permitam estimar a densidade do solo (ρ_σp ) e o volume total de poros ₍n_{σp )} , ambos referentes à pressão de preconsolidação (σ_p), propondo-os como indicadores físicos na avaliação da qualidade e do estado crítico de consolidação dos solos agrícolas.

 

MATERIAL E MÉTODOS

A área experimental onde foram coletadas as amostras indeformadas trata-se de um talhão de 8,34 ha de cana-de-açúcar que estava no segundo ciclo de cultivo, localizado no município de Piracicaba, SP cujas coordenadas geográficas são dadas pela Latitude 22°40'30"S e Longitude 47°36'38"W.

O estudo foi conduzido em amostras de NITOSSOLO VERMELHO (EMBRAPA, 1999) as quais foram coletadas na linha de tráfego, isto é, nas entrelinhas da cultura e em duas profundidades: a) SP-Superficial (0,0 a 0,10 m) e b) SSP-subsuperficial (profundidade de maior resistência mecânica, determinada previamente através de um perfil de penetrometria, obtido com o auxílio de um penetrômetro hidráulico eletrônico desenvolvido por Lanças et al. (2000).

Os anéis de amostragem (com dimensões de 0,0254 x 0,0652 m de altura e diâmetro compatíveis com a célula de compressão que acompanham o consolidômetro e construídos em aço carbono) eram cravados e extraídos do solo com auxilio de um amostrador do tipo Uhland que foi desenvolvido especificamente para esse fim. Em seguida, as amostras eram devidamente impermeabilizadas utilizando-se de papel filme e parafina, objetivando manter a umidade e a história de tensão tal como se encontravam no campo.

No laboratório os corpos-de-prova eram equilibrados a teores de água, conforme sugestão de Silva et al. (2004), que correspondessem aos seguintes estados de consistência: i) tenacidade (teores médios de água de 0,05 kg kg^-1, abaixo do limite de contração kg kg^-1), ii) friabilidade (teores médios de água 0,22 kg kg^-1 , acima do limite de contração e abaixo do limite de plástico,); e iii) plasticidade (teores médios de água de 0,32 kg kg^-1, acima do limite plástico e abaixo do limite de liquidez). A metodologia utilizada para determinar os limites de consistência foi a de Bowles (1986) e Sowers (1965).  

As variáveis avaliadas foram: i) Densidade do solo inicial (ρ _i ) e volume total de poros do solo inicial ( n_i ), as quais refletem as informações dos respectivos atributos do solo na sua condição natural, isto é, antes de ser submetido ao ensaio de consolidação ii) densidade do solo e o (ρ_σp) volume total de poros (n_σp ), ambos referentes à pressão de preconsolidação, propostas neste estudo, como a máxima e menor densidade e porosidade (valores críticos), respectivamente, que um solo deva ser submetido, de modo que o valor da sua relação massa e volume a ser alcançada, seja indicadora da preservação e sustentabilidade da estrutura do solo.

A ρ_i (Mg m^-3) e n_i (m³ m^-3) foram obtidas, utilizando-se do método do anel volumétrico, conforme metodologia da EMBRAPA (1997). A determinação destes atributos permitiu fazer uma avaliação atual do efeito do manejo sobre a estrutura do solo. Para determinar os valores de ρ_σp e a n_σp ensaios de compressibilidade, utilizando­se de um consolidômetro pneumático­eletrônico, desenvolvido por Silva et al. (2007), como pode ser visto na Figura 1. A realização destes ensaios seguiu a metodologia utilizada por Dias Junior (1994), a qual preconiza carregamentos em corpos-de-prova de dimensões de 0,0652 m de diâmetro por 0,0254 m de altura, dos seguintes níveis de pressões: 25, 50, 100, 200, 400, 800 e 1600 kPa. A troca do nível de pressão era feita depois que 90% da deformação máxima do corpo-de-prova fosse obtida e atendesse a sugestão de Taylor (1971), modificada por Silva et al. (2007).

 

Figura 1. Procedimentos para realização dos ensaios de compressibilidade e obtenção da pressão de preconsolidação (σ_p).

 

Do ensaio uniaxial foi obtida a curva de compressão do solo, a qual representa graficamente a relação entre o logaritmo da pressão aplicada e a densidade do solo (Casagrande, 1936). A partir desta curva é que os valores de ρ_σp e n_σp foram estimados, com base nas equações apresentadas a seguir:

a) Estimativa ρ_σp para corpos-de-prova, com teores de água referentes ao potencial matricial igual e, ou abaixo de 100 kPa (M1), de acordo com sugestão de Dias Junior & Pierce (1995):

onde:

ρ_σp   = densidade do solo referente a σp, Mg m^-3

A = tg α

log σp = logarítimo de σp

log σ(50) = logaritimo da pressão de 50kPa

ρ_(σ50) = densidade do solo na pressão de 50kPa, Mg m^-3

onde:

log σ(25) = logaritimo da pressão de 25kPa

ρ_(σ25) = densidade do solo na pressão de 25kPa, Mg m^-3

onde:

log σ(1600) = logaritimo da pressão de 1600kPa

ρ_(σ1600) = densidade do solo na pressão de 1600kPa, Mg m^-3

m = índice de compressão

onde:

log σ(800) = logaritimo da pressão de 800kPa

ρ_(σ800) = densidade do solo na pressão de 800kPa, Mg m^-3

b) Estimativa ρ_σp para corpos-de-prova, com teores de água referentes a potencial matricial acima de 100kPa (M₃) , de acordo com sugestão de Dias Junior e Pierce (1994):

onde:

ρ_σp = densidade do solo em σp, Mg m^-3

a = intercepto linear

b = coeficiente angular

log σp = logaritimo de σp

onde:

= valores médios conhecidos de ρ referentes a σ :25,50,100,200kPa

= valores médios conhecidos de log σ

onde:

m = índice de compressão

log σ(1600) = logaritimo da pressão de 1600kPa

ρ_(σ1600) = densidade do solo na pressão de 1600kPa, Mg m^-3

onde:

log σ(800) = logaritimo da pressão de 800kPa

ρ_(σ800) = densidade do solo na pressão de 800kPa, Mg m^-3

c) Estimativa n_σρ

onde:

n_σρ = volume total de pororo, m³ m^-3

ρ_σp = densidade do solo na pressão de preconsolidação, Mg m^-3

ρ_s = densidade de partículas, Mg m^-3

O delineamento utilizado foi o inteiramente casualizado, em esquema fatorial (2x2x3), isto é, 2 estados de consolidação (inicial e referente à σ_p), 2 profundidades (superficial e subsuperficial) e 3 estados de consistência (tenacidade, friabilidade e tenacidade).

Os valores médios de ρ_σp e n_σp foram inicialmente, submetidos a uma análise de correlação com os valores médios de σ_p.

Posteriormente, constatada a significância entre os fatores por meio da análise de variância, assim como, a interação entre os mesmos, procedeu-se o teste de média de Scott & Knott (1974).

Para elaboração de mapas da dependência espacial dos respectivos índices físicos (densidade e porosidade), os pontos de amostragens foram georreferenciados no sentido longitudinal e transversal formando grades de 60 x 60 metros, sempre que as curvas de nível e os carreadores permitiam (Figura 2). Nesta operação foi utilizado uma Unidade Móvel de Amostragem do Solo (UMAS) equipada com um sistema de GPS. O aplicativo Surfer, versão 8.0 foi utilizado para fazer, respectivamente, a espacialização dos dados pelo método de interpolação da krigagem, assim como, elaboração dos mapas para o presente estudo.

 

Figura 2 -Espacialização dos pontos de amostragem para elaboração do mapa de capacidade de suporte de carga do solo.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

No Quadro 1 estão apresentados os valores de densidade e porosidade do solo antes e depois de receber crescentes níveis de pressão (ensaio de consolidação uniaxial) de uma amostra da camada superficial (0 – 0,10m) de Nitossolo Vermelho depois de submetida a dois teores de água (0,32 e 0,05 kg kg^-1), correspondentes aos limites de plasticidade e tenacidade, respectivamente.

 

Quadro 1 Valores de ρ_σp e n_σp, estimados em função da e dos valores de densidades para cada nível de pressão aplicada de um único ensaio de consolidação uniaxial.

 

Em função destes valores e de σ_p utilizando-se das Equações de 1, 7 e 14 foram estimados os novos valores de valores de ρ_σp e n_σp , ambos referentes à pressão de preconsolidação.

Observa-se aumento e redução, respectivamente nos valores de densidade e porosidade total, independentemente do teor de água da amostra. Os valores de ρ_σp e n_σp encontrados foram de 1,2260 Mg m^-3 e 0,5391 m³ m^-3, respectivamente, para o solo na condição do limite de plasticidade e 1,1570 Mg m^-3 e 0,5650 para o solo na condição de tenacidade. Os valores de 98 e 448 kPa de σ_p encontrados para a mesma amostra evidencia a influência do teor de água na capacidade de suporte de carga (CSCS) do solo e por outro lado evidencia, através dos valores de ρ_σp (1,2260 Mg m^-3) e 0,5391 (m³ m^-3) o impacto sobre a n_σp  estrutura do solo for trafegado sob teores de água inadequado e pressões de contato acima da CSC.

Quando são comparados os valores dos indicadores físicos da amostra na sua condição inicial (sem receber nenhum nível de pressão, isto é, da forma como se encontrava no campo) com os valores quando a amostra recebe pressões referentes a sua σ_p , são verificadas alterações (aumento e redução) da ordem de 6 e 5% para a ρ_σp e n_σp , respectivamente para amostra com 0,32 kg kg^-1 e de 3 e 2% para a amostra com 0,05 kg kg^-1 .

Estes valores evidenciam o estado degradado da estrutura deste Nitossolo Vermelho o que é corroborado pela estreita faixa da relação massa/volume entre a sua condição estrutural atual e condição depois de submetida a um nível de correspondente à pressão de preconsolidação. Desta forma, pode se afirmar que as equações 1, 7 e 14 podem estimar de forma satisfatória a ρ_σp , as quais podem indicar a maior e n_σp densidade e a menor porosidade (valores críticos) que um solo deve ser submetido para que o mesmo tenha preservado de forma sustentável, a sua estrutura.

A proposta de uso das equações 1, 7 e 14 para estimativa dos valores críticos de densidade e porosidade do solo referentes à pressão de preconsolidação pode, também, ser fundamentada pelos elevados e significativos valores dos coeficientes de correlação (r) apresentados no Quadro 2. A alta correlação positiva e negativa, respectivamente, entre os valores de σ_p, ρ_σp e n_σp em 32 corpos-de-prova evidenciam a sensibilidade das equações (1, 7 e 14) e, portanto estimar estes atributos do solo.

 

Quadro 2 -Correlação de Pearson entre σ_p e ρ_σp e n_σp de 32 corpos-de-prova da camada 0­0,10m de um Nitossolo Vermelho, submetidos ao estado de consistência plástico.

 

A análise de variância dos dados, tanto de densidade (P<6,54%) quanto de volume total de poros (P<4,01%), revelou interação significativa tripla, ou seja, entre os fatores (estados de consistência, estado de consolidação e camada de solo) para as condições propostas neste estudo. O desdobramento e o teste de médias dos atributos avaliados e seus respectivos fatores estão apresentados nos Quadros 3 e 4. Os valores ρ_σp e n_σp foram aumentados e diminuídos, respectivamente, em relação à densidade e o volume total de poros inicial do solo, de forma significativa, independente do estado de consistência e da profundidade avaliada (Quadro 3). Por outro lado, na foi verificado diferença significativa entre profundidades o que denota o grau de degradação da estrutura deste solo em função, muito provavelmente, da trafegabilidade de rodados agrícolas e da mobilização excessiva do solo sob a cultura da cana-de-açúcar.

 

Quadro 3 -Valores médios de densidade ( ρ_i ) e volume total de poros inicial ( n_i ) e densidade ( ρ_σp ) e volume total de poros ( n_σp ) referente à pressão de preconsolidação nas profundidades superficial e subsuperficial de amostras de um Nitossolo Vermelho, submetidas a três estados de consistência.

 

Quadro 4 -Valores médios de densidade ( ρ_i ) e volume total de poros inicial ( n_i ) e densidade ( ρ_σp ) e volume total de poros ( n_σp ) na pressão de preconsolidação nas profundidades superficial e subsuperficial de amostras de um Nitossolo Vermelho, submetidas a três estados de consistência.

 

Verifica-se ainda que o estado crítico de consolidação foi dependente da consistência que este solo possa estar submetido, ou seja, a ρ_σp e n_σp foram afetadas significativamente pelo teor de água, o mesmo não acontecendo com as profundidades das quais foram amostrados os corpo-de-prova (Quadro 3 e 4).

Nota-se que quando é desconsiderado o efeito da consolidação, os valores médios de ρi e n_i não são afetados pela consistência (Quadro 4). Muito provavelmente, isto se deve ao estado avançado de degradação estrutural deste solo em função do preparo e tráfego exaustivos. O manejo empregado na cultura de cana-de-açúcar, certamente, tem descaracterizado os atributos dependentes da relação massa e volume e da distribuição das partículas granulométricas em todo o perfil cultivado.

De acordo com os Quadros 3 e 4, nota-se que apesar do impacto do manejo utilizado na cultura de cana-de-açúcar sobre os valores de ρi e n_i , o estado crítico de consolidação do Nitossolo Vermelho, ainda não foi alcançado. Estes resultados informam ao produtor, portanto, o valor de densidade e, ou de porosidade crítica que este solo deveria alcançar, dentro de cada estado de consistência e em cada profundidade, quando as pressões de contato aplicadas (carregamentos) venham ser iguais ou acima da pressão de preconsolidação ( σ_p ).

Os resultados encontrados arremetem a duas pressuposições: i) a ρ_σp e n_σp permitem auxiliar no manejo da CSC do solo, possibilitando que as pressões de contato a serem aplicadas ao solo durante o tráfego não excedam a sua pressão de preconsolidação (σ_p) e ii) o estado de consistência do solo no momento do tráfego deve ser considerado durante a quantificação de ρ_σp e para que seja, n_σp então, respeitada a primeira pressuposição, já que como mostrado no Quadro 3, os valores médios de densidade e porosidade são alterados significativamente, com a mudança da umidade.

Devido a existência da alta e significativa correlação negativa existente entre ρ_σp e n_σp , mostrado no Quadro 2, optou-se por avaliar a dependência espacial, apenas para a densidade. Os mapas de isodensidades ( ρ_i e ρ_σp ) são apresentados nas Figuras 3 e 4, ilustrando a espacialização de valores deste atributo na condição natural (inicial) e referente a σ_p , para os distintos estados de consistência a que foram submetidos os corpos-de-prova, dentro das camadas superficial e subsuperficial.

 

 

Figura 3 -Valores de ρ_i e ρ_σp de corpos-de-prova da camada superficial (0,0 – 0,10m), submetidos a diferentes estados de consistência.

 

Figura 4 -Valores de ρ_i e ρ_σp de corpos-de-prova da camada subsuperficial, submetidos a diferentes estados de consistência.

 

Observam-se classes de isodensidades que variam de 1,10 Mg m^-3 a 1,80 Mg m^-3 para a camada superficial e de 1,20 Mg m^-3 a 1,80 Mg m^-3 para a camada subsuperficial, mostrando, certamente, os transtornos que podem ser provocados, caso a opção pela a estatística clássica, quando adotada de maneira equivocada, seja a única a ser considerada em estudos dessa natureza. De acordo com os mapas (Figura 4), nota-se que a maior parte da área apresentou valores de ρ_i da ordem de 1,20 a 1,4 Mg m^-3, muito embora perceba-se também, manchas isoladas com valores que variam de 1,50 a 1,60 Mg m^-3. Comportamento semelhante é verificado também na camada subsuperficial (Figura 4).

 

CONCLUSÕES

1. Para as condições em que foi conduzido o estudo, tanto ρ_σp quanto n_σp , a exemplo da σ_p , possibilitaram estimar o estado crítico de consolidação que o solo pode alcançar, para que o mesmo não tenha a sua estrutura degradada;

2. As equações, assim como, ambos os atributos estimados, mostraram-se ferramentas apropriadas para avaliar o estado crítico de consolidação do solo em áreas sucroalcoolerias;

3. A espacialização ρ_σp e n_σp podem auxiliar, tanto na localização de zonas de maior resistência mecânica, quanto estimar a máxima relação de massa e volume que o solo pode alcançar, para que em manejos futuros, a sustentabilidade de sua estrutura não seja comprometida.

 

AGRADECIMENTOS

À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) por ter concedido a bolsa de Pós-Doc ao primeiro autor deste trabalho.

À Fundação para o Desenvolvimento da UNESP (FUNDUNESP) pela concessão de recursos que viabilizaram a publicação deste artigo.

 

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