Interacciones en Suelos Agrícolas

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Interciencia
ISSN: 0378-1844
interciencia@ivic.ve
Asociación Interciencia
Venezuela
Durán García, Héctor M.
Efecto de las interacciones humedad, densidad, profundidad y tipo de reja en la fuerza pasiva de un
suelo de textura franca
Interciencia, vol. 26, núm. 3, marzo, 2001, pp. 96-102
Asociación Interciencia
Caracas, Venezuela
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96 MAR 2001, VOL. 26 Nº 3
PALABRAS CLAVES / Mini Canal de Suelo / Falla de Suelo / Labranza /
Recibido: 10/10/2000. Modificado: 01/03/2001. Aceptado 15/03/2001
Héctor Martín Durán García. Ingeniero Agrónomo, Universidad Politécnica de Madrid.
Master en diseño de maquinaria agrícola, Universidad de Tzukuba, Japón. Maestría en Ingeniería, Universidad de
Guanajuato, México. Ingeniero Agrónomo, especialista en maquinaria agrícola, Universidad Autónoma de Chapingo, Méxi-
co. Profesor investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, México. Dirección: Facultad
de Ingeniería. Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Av. Dr. Manuel Nava 8. Zona Universitaria, C.P. 78290. San
Luis Potosí, S.L.P. México. e-mail: hduran@ciep.ing.uaslp.mx.
EFECTO DE LAS INTERACCIONES HUMEDAD,
DENSIDAD, PROFUNDIDAD Y TIPO DE REJA
EN LA FUERZA PASIVA DE UN SUELO
DE TEXTURA FRANCA
HÉCTOR M. DURÁN GARCÍA
0378-1844/01/03/096-07 $ 3.00/0
l desarrollo teórico en
mecánica de suelos agrí-
colas asume que el suelo
es un medio rígido-plástico ideal, pero al
hacerlo así no es posible determinar la
respuesta del suelo tras una operación de
labranza (Hettiaratchi y O’Collaghan,
1980; Utomo y Dexter, 1981; Rajaram y
Erbach, 1991). Al explicar los procesos
que ocurren en la labranza, los experimen-
tos realizados en diferentes suelos agríco-
las muestran que la aplicación convencio-
nal de los principios de la mecánica de
suelos clásica es limitada (Rajaram y Gee-
Clough, 1988; Fielke y Riley, 1989).
Estudios sobre la rela-
ción suelo-apero han puesto de manifies-
to que los suelos agrícolas sujetos a es-
fuerzos mecánicos se deforman de forma
diferente en función del tipo de suelo y
del tipo de apero (Elija y Weber, 1971;
Stafford, 1984; Rajaram y Gee-Clough,
1988; Rajaram y Oida, 1989). Desde el
punto de vista de la mecánica de los sue-
los, es importante entender no sólo las
condiciones que influyen en el comporta-
miento mecánico del suelo, sino también
predecir el cambio de las propiedades del
suelo una vez labrado (Rajaram y
Erbach, 1991).
Los factores que contro-
lan el comportamiento mecánico de los
suelos no son del todo conocidos, pero la
literatura menciona que entre ellos tienen
una influencia significativa el contenido
de humedad (Stafford, 1979; Rajaram y
Gee-Clough, 1988), el tipo de suelo
(Elijah y Weber, 1971; Rajaram y Oida,
1989; Sharma, 1990) el tipo de apero y
velocidad de trabajo (Olson y Weber,
1966; Stafford, 1979; Fielke y Riley,
1989).
Al labrar un suelo some-
tido a un ciclo de humectación y secado,
se observa una mayor formación de agre-
gados (Telfair et al. 1957; Richardson,
1976), un incremento del valor de la rela-
ción esfuerzo-deformación (Dexter et al.
1984) y una disminución de la estabili-
dad de los agregados (Tisdall et al.
1978). Rajaram y Erbach (1991) hallaron
que las propiedades físicas de los suelos
que se secan después de ser humedecidos
se ven afectados por las tensiones induci-
das durante el propio proceso de secado.
Estos autores señalan que la fuerza re-
querida en el suelo seco por una herra-
mienta de trabajo crece al disminuir su
contenido de humedad, y observaron que
el tamaño de los agregados del suelo, ex-
presado por el peso y el diámetro medio
de los mismos, también aumenta al dis-
minuir su contenido de humedad.
El comportamiento me-
cánico del suelo agrícola determina el
rendimiento de los aperos de labranza.
Un ciclo de humectación y secado induce
en el suelo esfuerzos que alteran sus pro-
piedades físicas. Rajaram y Erbach
(1991), evaluaron el trabajo de un culti-
vador en un suelo arcilloso con tres con-
tenidos de humedad. Los resultados mos-
traron que la tensión inducida en el suelo
por el proceso de secado influyó signifi-
cativamente en la labranza y en el rendi-
miento del cultivador. La densidad apa-
rente, la resistencia al corte y las propie-
dades adhesivas del suelo labrado fueron
más bajas cuanto menor fue la humedad
del mismo (Rajaram y Erbach, 1991).
Telfair et al. (1957) y
Richardson (1976) comprobaron que hu-
medecer y secar produce la formación de
agregados en suelos inicialmente sin agre-
gados, y que este fenómeno puede utili-
zarse para restaurar algunos suelos es-
tructuralmente dañados. Reid y Parkinson
(1984) analizaron el efecto natural de se-
car y humedecer el suelo y observaron el
desarrollo de grietas en el horizonte super-
ficial dañado por el pastoreo de los ani-
males. Dexter et al. (1984) estudiaron las
propiedades mecánicas del suelo que re-
sultan del reacomodo de los agregados
creados por un proceso cíclico de humec-
tación y secado. La relación esfuerzo-de-
formación se incrementó con el contenido
de arcilla del suelo y decreció con la po-
rosidad. Concluyeron que humedecer pro-
duce un suelo más friable y que múltiples
ciclos de humedecimiento y secado pue-
den aumentar dicho carácter friable. En
97MAR 2001, VOL. 26 Nº 3
1985 Yoshida et al. (citado por Rajaram y
Erbach, 1991), midieron la fuerza de corte
en diferentes suelos arcillosos después de
humedecerlos y secarlos. Observaron que
los agregados de diámetro mayor de
0,25mm, cuando se humedecieron por llu-
via o irrigación, se rompieron en grandes
microagregados de diámetro comprendido
entre 0,02 y 0,25mm.
El empleo de canales de
tierra de reducidas dimensiones es de uti-
lidad para realizar estudios de carácter
básico en relación al comportamiento me-
cánico de los suelos agrícolas. A modo
de ejemplo, podemos considerar el análi-
sis de la capacidad de tracción de un ele-
mento propulsor de un tractor agrícola, el
conocimiento del proceso de compacta-
ción del suelo, la observación de la res-
puesta del suelo a la acción de una herra-
mienta de trabajo de un apero y la eva-
luación de nuevos prototipos de máqui-
nas. El objetivo del presente estudio fue
analizar el efecto que tienen las interac-
ciones humedad, densidad, profundidad y
tipo de reja en la fuerza pasiva de un
suelo de textura franca con ayuda de un
canal de tierra de reducidas dimensiones.
Materiales y Métodos
Los ensayos se realizaron
con tierra procedente del horizonte super-
ficial, 0-10cm, de un suelo Haploxeralf
Vértico de textura franca, cuyas caracterís-
ticas físicas y químicas se presentan en la
Tabla I, mientras que las propiedades me-
cánicas se muestran en la Tabla II.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y
QUÍMICAS DEL SUELO FRANCO
Esqueleto grueso (> 2mm)(%, g/g): 1
Arena total (%, g/g): 39
Limo total (%, g/g): 40
Arcilla (%, g/g): 21
Clase textural: Franca
Densidad real (Mg/m3): 2,64
pH (en agua 1:2,5): 6,1
Conductividad eléctrica (dS/m): 0,09
Calcio activo (%, g/g): 0
Sodio (mg/g): 1,5
Materia orgánica (%, g/g): 1,5
Carbono (%, g/g): 0,87
Límite líquido (%H, g/g): 27
Límite plástico (%H, g/g): 19
Indice de plásticidad (%, g/g): 8
Clasificación USDA: Haploxeralf Vértico
(%, g/g): Porcentaje gravimétrico; (%H, g/g):
Porcentaje de humedad gravimétrica.
TABLA II
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL SUELO DE TEXTURA FRANCA UTILIZADO
Contenido de Cohesión Angulode Adherencia Angulo de
humedad (kPa) rozamiento (kPa) fricción
(% w/w) interno suelo/metal
suelo/suelo
2 1,8 40° 0 23°
8 15 34° 1,2 25°
12 25 29° 0,5 27°
15 0,4 34° 1,1 26°
20 0 34° 1,1 22°
25 0 34° 0 25°
Se utilizó un mini canal
de tierra desarrollado y construido por
Durán (2000), el cual consta de un cilin-
dro hidráulico y el grupo electro-hidráuli-
co, con capacidad para desplazar las he-
rramientas de trabajo a una velocidad
constante entre 0-350mm/s. El cajón del
mini canal mide 1000x400x400mm (lar-
go, ancho y profundidad). El marco del
recipiente está hecho en perfil angular de
acero de 30x30mm de lado y 3mm de es-
pesor. Se utilizó material acrílico de
15mm de espesor para cubrir las paredes
laterales.
Se utilizaron dos rejas
con las siguientes dimensiones: 100mm
de ancho x 200mm de longitud y un es-
pesor de 5mm; una de ellas tenía una in-
clinación con la horizontal de 45° y la
otra una inclinación de 60°. Las compo-
nentes horizontal y vertical de la fuerza
total que soporta la reja, así como el mo-
mento resultante de las mismas, se midió
con ayuda de un dinamómetro o célula
de carga, y se expresan en Newtons (N).
La adquisición de datos
se llevó a cabo con el sistema de adqui-
sición de datos SA64 y AD32 - versión
3.0, instalado en un ordenador 486 SX
de 33 MHz, trabajando al límite práctico
de 20.000 muestras/segundo.
Medición de las fuerzas en las rejas.
Ejecución de los ensayos
Los cajones se llenaron
con suelo de textura franca, después de
ser tamizado con un cedazo de 6mm de
malla. El llenado del cajón se hizo por
capas, con el fin de realizar una compac-
tación uniforme, manteniendo la densidad
de las mismas dentro de los valores fija-
dos en cada ensayo (Tabla III). Para cada
una de las densidades consideradas se
calculó la cantidad de tierra que debía
ocupar un volumen dado del cajón. A
continuación se añadió el agua necesaria
para alcanzar la humedad requerida y se
dejó que toda la tierra consiguiera una
humedad uniforme. El cajón se llenó por
capas de 18kg de peso que se compac-
taron con una masa de 10kg.
Cumplido el procedi-
miento anterior, se midió la resistencia a
la penetración y se extrajeron muestras
de suelo para determinar su contenido de
humedad y su densidad aparente. Poste-
riormente se colocó el cajón en el mini-
laboratorio para llevar a cabo el ensayo.
La velocidad a la cual se realizaron todos
los ensayos fue de 40mm/s.
Análisis estadístico
Por cada ensayo se ob-
tienen tres gráficos, uno para la fuerza
horizontal (FH), uno para la fuerza verti-
cal (FV) y otro para los momentos. En
cada uno de estos gráficos se miden la
fuerza máxima (Fmax), la fuerza mínima
(Fmin), la fuerza media (Fmed), la dis-
tancia pico-pico, (distancia entre dos va-
lores máximos consecutivos) la longitud
de onda (considerado como la distancia
entre dos valores mínimos consecutivos)
y la relación fuerza máxima/fuerza míni-
ma, la cual se ha designado como ampli-
tud (Figura 1). En todos los casos, el
gráfico original guarda información de 0
a 20seg, el tiempo que tarda la herra-
Figura 1. Gráfico ideal que muestra las va-
riables analizadas. DPP: Distancia pico-
pico; LOND: Longitud de onda; ∆F: Rela-
ción fuerza máxima-fuerza mínima.
98 MAR 2001, VOL. 26 Nº 3
Figura 3. Efecto humedad-densidad en el
valor medio de FHmax (a) y de FVmax (b).
a
b
mienta en recorrer el cajón. A fin de evi-
tar posibles efectos del cajón sobre la he-
rramienta de corte durante su inserción
en el suelo, se descartaron los primeros
5seg y se analizaron los valores registra-
dos en la porción central del trayecto rea-
lizado por las herramientas, es decir, el
intervalo entre 5 y 15seg.
Con ayuda del programa
MSTAT, versión 4.0, se hicieron los aná-
lisis de varianza de los diferentes pará-
metros obtenidos de los gráficos (FH y
FV), según el diseño factorial utilizado,
con tres repeticiones y cuatro factores
(humedad, densidad, profundidad y tipo
de reja).
Resultados
Efecto de las condiciones físicas
del suelo y del tipo de reja en
el valor de la fuerza que provoca
su rotura pasiva
Previamente al análisis
de las interacciones entre humedad, den-
sidad, profundidad y tipo de reja, se estu-
dió, utilizando los parámetros presentados
en la Tabla III, la rotura pasiva del suelo
de textura franca.
La componente horizon-
tal y vertical de la fuerza total que el
suelo opone al desplazamiento de una he-
rramienta de trabajo, en este caso la reja,
varían cíclicamente. La Figura 2 ilustra el
carácter cíclico de FH y FV, medidas en
7% de humedad, densidad de 1,25Mg/m3,
10cm de profundidad y con la reja incli-
nada 60° (a), o con la reja inclinada 45°
(b). Las variaciones de las fuerzas obteni-
das con la reja inclinada 60° cuando se
ensayó con una humedad del 16%, una
densidad de 1,35Mg/m3 y una profundi-
dad de 15cm se aprecian en (c). Los re-
sultados obtenidos indican que los facto-
res que controlan el comportamiento me-
cánico de un suelo son el contenido de
humedad, el tipo de suelo, y el tipo de
implemento utilizado y velocidad de tra-
bajo. Al analizar el efecto del contenido
de humedad sobre FH y FV en las rejas
se observó que ambas alcanzaron su va-
lor máximo a 10% de humedad, mientras
que al analizar el efecto de la densidad
sobre ambas fuerzas se observó que a
mayor densidad mayor magnitud de la
fuerza. El análisis del efecto profundidad-
fuerza, mostró que al incrementar la pro-
fundidad aumentan las magnitudes de FH
y FV. El análisis del efecto del tipo de
reja en el valor medio de FH y FV refle-
ja que a mayor ángulo de inclinación de
la herramienta mayor es la magnitud de
la fuerza.
Efecto de las interacciones dobles en los
valores medios de las fuerzas
Las magnitudes de las
variaciones cíclicas en las fuerzas obser-
vadas, expresadas en Newtons (N), se ca-
racterizan por los parámetros de valor
máximo, valor mínimo, valor medio, am-
plitud, longitud de onda, y distancia
pico-pico o distancia entre dos valores
máximos (Figura 1). Todos estos paráme-
TABLA III
ENSAYOS REALIZADOS EN EL MINI-CANAL
Profundidad Humedad Densidad Angulo inclinación
(cm) w/w (%) (Mg/m3) (°)
7 1,25 60
7 1,25 45
7 1,35 60
7 1,35 45
10 1,25 60
10 10 1,25 45
10 1,35 60
10 1,35 45
16 1,25 60
16 1,25 45
16 1,35 60
16 1,35 45
7 1,25 60
7 1,25 45
7 1,35 60
7 1,35 45
10 1,25 60
15 10 1,25 45
10 1,35 60
10 1,35 45
16 1,25 60
16 1,25 45
16 1,35 60
16 1,35 45
Figura 2. Fuerza horizontal (FH) y fuerza
vertical (FV) registradas en los ensayos de
rotura pasiva a 7% de humedad, 1,25Mg/m3
de densidad, 10cm de profundidad y reja
inclinada 60º (a) o 45º (b), y a 16% de hu-
medad, 1,35Mg/m3 de densidad, 15cm de
profundidad y reja inclinada 60º (c).
99MAR 2001, VOL. 26 Nº 3
tros se midieron en cada una de las dos
fuerzas, horizontal y vertical, que sopor-
tan las dos rejas consideradas en las dife-
rentes condiciones en que se realizaron
los experimentos, esto es, tres contenidos
de humedad del suelo, dos valores dife-
rentes de su densidad aparente y dos pro-
fundidades de trabajo. A continuación se
presentan los valores obtenidos de los pa-
rámetros mencionados en función de las
condiciones de los ensayos.
La Tabla IV muestra los
resultados del análisis de varianza de las
interacciones dobles en los valores de las
fuerzas medidas. El efecto de la interac-
TABLA IV
ANÁLISIS DE VARIANZA CON LOS EFECTOS CONJUNTOS HUMEDAD-DEN-
SIDAD, HUMEDAD-PROFUNDIDAD, HUMEDAD-TIPO DE REJA, DENSIDAD-
PROFUNDIDAD, DENSIDAD-TIPO DE REJA Y PROFUNDIDAD-TIPO DE REJA
EN LA FUERZA HORIZONTAL Y VERTICAL
Fuerza horizontal (FH) Fuerza vertical (FV)
Máxima Mínima Media Máxima Mínima Media
Humedad (% w/w)-
densidad (Mg/m3) ** NS NS *** *** **
DMS 80,60 —— —— 58,59 29,33 33,70
Humedad (% w/w)-
profundidad (cm) NS *** *** NS *** ***
DMS —— 87,69 87,91 —— 29,33 33,70
Humedad (% w/w)-
tipo de reja (°) NS NS ** NS *** NS
DMS —— —— 87,91 —— 29,33 ——
Densidad (Mg/m3)-
profundidad (cm) NS NS NS *** NS ***
DMS —— —— —— 48,17 —— 27,52
Densidad (Mg/m3)-
tipo de reja (°) NS ** NS NS ** NSDMS —— 57,67 —— —— 23,94 ——
Profundidad (cm)-
tipo de reja (°) *** *** *** NS ** NS
DMS 87,79 71,60 71,78 —— 23,94 ——
NS: No significativo. ***: Significativo (P ≤ 1%). **: Significativo (P ≤ 5%).
DMS: Diferencia mínima significativa.
ción humedad-densidad en las fuerzas
fuerzas horizontal y vertical máximas
(FHmax y FVmax) se aprecia en las Fi-
guras 3a y 3b, donde se observa que al
aumentar la densidad también lo hacen
ambas fuerzas, alcanzándose el valor
máximo de las mismas a una humedad
del 10%. La interacción densidad-profun-
didad tan sólo fue significativa en el caso
de FVmax (Figura 4). A mayor profundi-
dad y densidad mayor es la magnitud de
dicha fuerza.
En la Figura 5 aparece
reflejado el efecto conjunto profundidad
de trabajo-ángulo de inclinación de la
Figura 4. Efecto densidad-profundidad en
el valor medio de FVmax.
Figura 6. Efecto humedad-densidad en el
valor medio de FVmin.
Figura 7. Efecto humedad-profundidad en el
valor medio de FHmin (a) y de FVmin (b).
a
b
reja en el valor de FHmax. Se observa
que la reja ínclinada 60° es más sensible
al aumento de la profundidad de trabajo
que la de 45°, ya que FHmax experimen-
ta un incremento de valor mucho más
acusado.
Dos aspectos diferentes
se han puesto de manifiesto en la inci-
dencia que tiene la interacción humedad-
densidad en el valor medio de FVmin.
En efecto, en la Figura 6 se puede ver
que a una densidad de 1,25Mg/m3 FVmin
alcanza su valor máximo a una humedad
del 10%, en tanto que a una densidad de
1,35Mg/m3 y al mismo contenido de hu-
medad esa fuerza alcanza su valor míni-
mo. Las Figuras 7a y b muestran el efec-
to de la interacción humedad-profundidad
en el valor de FHmin y en el de FVmin.
La primera de ellas alcanza, a 15cm de
profundidad, el valor máximo a un conte-
Figura 5. Efecto profundidad-reja en el va-
lor medio de FHmax.
100 MAR 2001, VOL. 26 Nº 3
nido de humedad del 10%, mientras que
a 10cm de profundidad se incrementa
hasta 16% de humedad. En la segunda de
ellas se aprecia un comportamiento más
dispar, ya que a 15cm de profundidad el
valor máximo de la misma se obtiene a
una humedad del 10%, pero a 10cm de
profundidad y al 10% de humedad se al-
canzó su valor mínimo, siendo necesario
elevar el contenido de humedad hasta el
16% para obtener el valor máximo. Tam-
bién se aprecian dos casos diferentes al
analizar la interacción humedad-inclina-
ción de la reja (Figura 8). En efecto,
FVmin alcanza un valor máximo al 10%
de humedad con la reja inclinada 45°,
mientras que a esta humedad la reja incli-
nada 60° alcanza su valor mínimo. El va-
lor de esta fuerza se iguala en ambas re-
jas a una humedad del 16%.
En las Figuras 9a y b se
observa el efecto densidad-inclinación de
la reja sobre las fuerzas mínimas. FHmin
exhibe una clara tendencia a aumentar de
valor al hacerlo la densidad del suelo y el
ángulo de inclinación de la reja. El com-
portamiento de FVmin es más complejo.
En el caso de la reja inclinada 45°, esta
fuerza crece de valor al hacerlo la densi-
dad, mientras que para la reja inclinada
60° ocurre lo contrario, ya que cambia de
sentido y su valor negativo se sitúa en -
0.11 N, prácticamente inapreciable.
La influencia de la inte-
racción humedad-profundidad sobre el
valor de la FHmed está recogida en la
Figura 10. En las dos profundidades de
trabajo consideradas, 10 y 15cm, esta
fuerza alcanza su valor máximo a una
humedad del 10%. Si la humedad se ele-
va hasta el 16%, FHmed alcanza valores
similares en ambas profundidades. En la
Figura 11 se observa el efecto de la inte-
racción profundidad-inclinación de la reja
sobre el valor de FVmin. Tanto la pro-
fundidad como el tipo de reja influyen
sobre el valor de esta fuerza.
El efecto de la interac-
ción humedad-reja sobre el valor de la
FHmed se aprecia en la Figura 12. Esta
fuerza alcanza su valor máximo a una
humedad del 10% tanto para ambas incli-
naciones de la reja. Con la reja inclinada
60º los valores obtenidos en las tres
humedades consideradas son superiores.
El efecto que tiene la interacción profun-
didad de trabajo-inclinación de la reja so-
bre FHmed se aprecia en la Figura 13.
La reja inclinada 45° apenas se vio afec-
tada por el aumento de la profundidad de
trabajo. Sin embargo, con la reja inclina-
da 60° se puede observar cómo la pro-
fundidad de trabajo sí afecta al valor de
FH, ya que a mayor profundidad mayor
valor de esta fuerza. Las interacciones
humedad-densidad y humedad-profundi-
dad en FVmed están recogidas en las Fi-
guras 14a y b. En ambos casos, la hume-
dad del 10% es aquella en la que se al-
canzan los valores máximos de esta fuer-
za. Finalmente, la Figura 15 muestra el
efecto de la interacción densidad-profun-
didad sobre el valor de FVmed. Esta
fuerza es tanto mayor cuanto mayor es la
profundidad de trabajo y la densidad del
suelo.
Discusión
El estudio de rotura pa-
siva muestra el carácter cíclico de los
cambios registrados. Al comparar los grá-
ficos en la Figura 2a y 2b se aprecia que
la fuerza, la longitud de onda y la distan-
cia pico-pico es mayor en la reja inclina-
da 60° que la inclinada 45°. Esto es, para
una misma distancia recorrida por ambas
rejas, el número de fallas del suelo es
menor en la primera que en la segunda.
En la Figura 2c, correspondiente al ensa-
yo llevado a cabo a 16% de humedad
con la reja inclinada 60° muestra que los
valores de la distancia pico-pico y de la
longitud de onda son mayores que los
correspondientes a los dos casos anterio-
res. El número de fallas que ocurren por
unidad de longitud recorrida por la herra-
mienta disminuye, pero al mismo tiempo
la amplitud de la fuerza es menor. Por
tanto, se puede decir que la humedad, la
densidad, la profundidad y el tipo de reja
ejercen una influencia directa sobre la
forma en que el suelo rompe al ser some-
tido a la acción de diferentes herramien-
tas de corte.
En la Introducción se
mencionó que los factores que controlan
el comportamiento mecánico de los sue-
los aún no son del todo conocidos, pero
los que tienen una mayor influencia son
el contenido de humedad, el tipo de sue-
lo, el tipo de implemento y la velocidad
de trabajo. En efecto, el análisis de las
fuerzas vertical y horizontal muestra que,
para el suelo utilizado, a 10% de hume-
dad ambas alcanzan su máximo valor
para dos densidades consideradas. A ma-
yor humedad la fuerza tiende a disminuir.
FVmin alcanzó su valor máximo al 10%
de humedad y a una densidad de
1,25Mg/m3, mientras que su valor míni-
Figura 8. Efecto humedad-reja en el valor
medio de FVmin.
Figura 9. Efecto densidad-reja en el valor
medio de FHmin (a) y de FVmin (b).
a
b
Figura 11. Efecto profundidad-reja en el
valor medio de FVmin.
Figura 10. Efecto humedad-profundidad en
el valor medio de FHmed.
101MAR 2001, VOL. 26 Nº 3
mo se obtuvo a esta misma humedad
pero a una densidad de 1,35Mg/m3. Este
valor mínimo tiende a incrementarse con
el contenido de humedad.
La interacción profundi-
dad de trabajo de la reja-contenido de
humedad mostró que a 10cm de profun-
didad, la FVmin aumentó de valor al ha-
cerlo la humedad del suelo, pero a 15cm
de profundidad alcanzó un valor máximo
con un contenido de humedad del 10%,
disminuyendo con humedades superiores.
Con la reja inclinada 60° FVmin aumen-
tó al hacerlo la humedad del suelo, con
independencia de la profundidad de tra-
bajo.
Al analizar el efecto de
la densidad sobre FH y FV se observa
como a mayor densidad mayor magnitud
de la fuerza. Así mismo, a mayor densi-
dad y mayor ángulo de inclinación de la
reja tanto mayor es FHmin. En relación a
la interacción densidad-ángulo de inclina-
ción de la reja, se observó que con la in-
clinación de 60° FVmin cambia de senti-
do y su valor absoluto es muy próximo a
cero. Con la reja inclinada 45°, la FVmin
crece al aumentar la densidad. Este com-
portamiento de la reja inclinada 60° nos
hace pensar que la existencia de la fuerza
de empuje hacia arriba se debe el proce-
so que explicamos a continuación.
La célula de carga, o
dinamómetro, se ve sometida a la acción
que el suelo opone a sertrabajado por la
reja. Esta acción produce una deforma-
ción de la célula de carga que permite
cuantificar y/o medir las fuerzas presen-
tes en la reja. Estas fuerzas varían
cíclicamente con una sucesión de valores
máximos y mínimos. Los primeros se
presentan cuando el suelo que se encuen-
tra delante de la reja alcanza la condición
de equilibrio plástico y, por tanto, rompe.
Los segundos lo hacen cuando la herra-
mienta o la reja se desplaza sobre el sue-
lo que ya ha roto. Este último, lejos de
fluir por ambos lados de la reja, se acu-
mula delante de ella y actúa como sobre-
carga que gravita sobre el suelo que aún
no ha roto, aumentando su resistencia a
la rotura. Por ello, los valores máximos y
mínimos de las fuerzas tanto verticales
como horizontales van incrementándose
al ir avanzando la reja. En ocasiones la
tierra acumulada delante de la reja es tan-
ta que tiene lugar una deformación exce-
siva en la célula de carga y, con ello, se
modifica sustancialmente su ángulo de
inclinación, invirtiéndose así el sentido
de la componente vertical de la fuerza to-
tal sobre la reja. Este efecto se ve refor-
zado por la condición del suelo (hume-
dad y densidad), por el ángulo de incli-
nación de la reja y por la profundidad de
trabajo.
Quinsen y Shuren (1994)
comprobaron, trabajando en un mini-la-
boratorio con hojas de bulldozer de esca-
la reducida, que la densidad del suelo y
la profundidad de trabajo influyen en el
valor medio de la fuerza. Asimismo,
cuando la velocidad de trabajo es baja,
ésta no influye en el valor medio de la
fuerza, pero sí lo hace cuando es alta.
El análisis del efecto
profundidad-fuerza, muestra que si se in-
crementa la profundidad se incrementan
las magnitudes de FH y FV. El efecto
profundidad-densidad en FVmax puso de
manifiesto que para ambas densidades
(1,25 y 1,35Mg/m3) a mayor profundidad
mayor es la magnitud de la misma. El
mismo comportamiento se observa cuan-
do se analiza el efecto profundidad-reja
en relación a los valores de FVmax,
FVmin, FVmed y FHmed.
El análisis del efecto del
tipo de reja en el valor de FHmed refleja
que a mayor ángulo de inclinación de la
herramienta mayor es la magnitud de la
fuerza. En el caso de FV se aprecia que
FVmax y FVmed tienen un comporta-
miento similar al de FH. El comporta-
miento de FVmin es contrario al de las
fuerzas anteriores, esto es, a mayor ángu-
lo de inclinación de la herramienta menor
es su magnitud.
Wang y Gee-Clough
(1993) observaron en un mini-laboratorio
que tanto FH, FV y su resultante incre-
mentan su valor conforme el ángulo de
inclinación de la herramienta aumenta
desde 25° a 150°. Cuando el ángulo de
inclinación de la herramienta es pequeño,
FV es grande y actúa de arriba hacia
abajo. Al incrementar el ángulo de incli-
nación, el valor de FV decrece gradual-
mente hasta anularse. Después actúa de
abajo hacia arriba y su magnitud crece de
valor al hacerlo el ángulo de inclinación.
Conclusión
La humedad tiene una
influencia directa sobre el valor de la
magnitud de la fuerza, pues con este tipo
de suelo y a 10% de humedad se registró
la mayor magnitud de la fuerza. Para el
caso de la densidad y la profundidad se
observó que a mayor densidad y profun-
didad, mayor es la magnitud de la fuerza,
lo cual es lógico, mientras que el tipo de
reja sí tiene una influencia directa sobre
el valor de la magnitud de la fuerza y so-
bre la rotura del suelo. Con la reja traba-
jando a 45º la rotura del suelo tiene ma-
Figura 14. Efectos humedad-densidad (a) y
humedad-profundidad (b) en el valor medio
de FVmed.
a
b
Figura 15. Efecto densidad-profundidad en
el valor medio de FVmed.
Figura 13. Efecto profundidad-reja en el
valor medio de FHmed.
Figura 12. Efecto humedad-reja en el valor
medio de FHmed.
102 MAR 2001, VOL. 26 Nº 3
yor continuidad que con la reja trabajan-
do a 60º y el valor de la magnitud de la
fuerza es mayor.
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