Este comunicado técnico apresenta as correlações entre RP e para os 6 solos de maior ocorrência no Estado de São Paulo e discute os resultados, visando o estabelecimento de umprocedimento paa a padronização e correlação da medida do penetrômetro, possibilitando comparações de resultados em condições de umidades equivalentes.bitstream/CNPDIA/8121/1/CT51_2002.pd

IOSSI, M. de F.

PATRIZZI, V. C.

PRIMAVESI, O.

VAZ, C. M. P.

Infoteca-e

51PenetrômetrosPenetrômetros ou penetrógrafos são instrumentosque medem a resistência à penetração em unidades depressão (força/área) de um cone padrão (ASAE, 1994)posicionado na extremidade de uma haste de metal,quando inseridos no interior do solo. Essa resistência àpenetração está relacionada à resistência exercida pelosolo à penetração e crescimento das raízes e, portanto,pode ser utilizada como uma medida da compactação dossolos.Esses instrumentos podem ser divididos em 2grupos, de acordo com o tipo de penetração no interior dosolo: i) estáticos, quando a penetração é realizada comvelocidade constante, com um sistema hidráulico ouelétrico-eletrônico ou mesmo manual (neste caso o usuáriotenta imprimir uma penetração no solo com velocidadeconstante, o que na maioria das vezes é difícil de se obter)e ii) dinâmicos ou penetrômetros de impacto onde apenetração é proporcionada por impactos de um corpometálico. Os penetrômetros estáticos são os maisutilizados em ciência do solo e agronomia e sãoequipamentos caros e sofisticados quando em versõesautomáticas e no caso das versões manuais tem-se adificuldade da inserção com velocidade constante. Osegundo grupo, o dos dinâmicos, tem sido bem menosutilizados, de um modo geral, no mundo, em estudosagronômico, sendo mais aplicados em avaliações de solospara fins de construção de estradas e geotecnia.Entretanto, no Brasil, na década de 80, o Planalsucar/IAA,através dos trabalhos pioneiros do Dr. Rubsmar Stolf,desenvolveu um penetrômetro de impacto (Stolf, 1991)para uso na avaliação da compactação do solo comênfase na cultura da cana-de-açúcar. O equipamento éatualmente comercializado pela indústria Kamaq e temsido relativamente bastante utilizado para a avaliação dacompactação de solos agrícolas. Além disso,recentemente foi publicado um trabalho na revista SoilScience Society of America Journal (Herrick & Jones,2002), indicando diversas vantagens na utilização depenetrômetros dinâmicos.As principais vantagens dos penetrômetros deimpacto são seu baixo custo, possibilidade de se trabalharem solos de alta resistência (com baixa umidade e altosteores de argilas) e solos pedregosos. Comodesvantagens tem-se uma menor quantidade de trabalhosna literatura internacional e a hipótese lançada por algunsautores, de que os penetrômetros estáticos simulammelhor o processo de penetração das raízes nos solos(Bradford, 1986). No Brasil, diversos grupos de pesquisatem trabalhado no desenvolvimento de penetrógrafoshidráulicos automáticos, mas é proponderante o uso depenetrômetros de impacto em estudos de manejo de solose compactação.Influência da Umidade naResistência do SoloMedida comPenetrômetro de ImpactoFísico, PhD, Embrapa Instrumentação Agropecuária, Caixa Postal 741, CEP 13560-970, São Carlos-SPEngenheiro Agrônomo, Embrapa Pecuária Sudeste, Caixa Postal 339, CEP 13560-970, São Carlos-SPEstudante de Agronomia, FAEF, R. das Flores 754, Garça-SPEstudante de Agronomia, USP/ESALQ, Caixa Postal 9, CEP 13418-970, Piracicaba-SPCarlos Manoel Pedro VazOdo PrimavesiVinícius Carvalho PatrizziMurilo de Freitas Iossi1234ISSN 1517-4786Outubro, 2002São Carlos, SPMinistério da Agricultura,Pecuária e Abastecimentoonde F (N) é a força de penetração, x (m) é a distância depenetração após cada impacto, M (kg) e m (kg) a massado corpo metálico de impacto e do restante dopenetrômetro (hastes, cones e demais peças),respectivamente e g(m s ) é a aceleração da gravidade. Otermo da esquerda descreve o trabalho de penetraçãodevido a um único impacto e os termos da direitarepresentam a energia potencial do corpo metálicomultiplicado por um fator (f) que descreve a perda deenergia e a energia potencial do penetrômetro após acolisão. O fator de perda de energia f é determinado pelarazão da energia cinética do sistema imediatamente antes(K ) e depois (K ) da colisão (Eq. 2) e pode ser descritousando a lei de conservação do momento linear (Eq. 3):(2)(3)Após a substituição da Eq. 3 em 2, obtêm-se:(4)A RP (Pa) é obtida da combinação das Eqs. 4 e1, o qual produz, após a divisão da força de penetração Fpela área do cone A (m ):(5)O penetrômetro da Kamaq, possui as seguintescaracterísticas: M=4kg, m=3,2kg, f=0,556 e A=1,29 x10 m . Considerando um valor de h=0,4 m e g=9,81ms , obtêm-se uma equação para o cálculo de RP, paracada impacto (Eq. 6). Conhecendo-se a profundidadeatingida a cada impacto, é possível obter um gráfico deRP(MPa) ao longo da profundidade.(6)Entretanto, a medida da resistência à penetraçãoé altamente dependente da variabilidade espacial local,sendo que buracos de formigas e outros insetos, pedras eoutros, podem provocar uma variação local indesejável namedida. Assim, é recomendável que se façam repetiçõespara uma caracterização local mais adequada.Considerando a alta variabilidade em geralencontrada entre repetições, surge um problema narealização da médias entre medidas utilizando a Eq. 6,pois os pontos das profundidades dificilmente se repetem.Visando resolver este problema, recomenda-se arealização das medidas de uma forma diferente, fixando-se um intervalo de profundidade e medindo-se o númerode impactos para se atingir tal profundidade.Considerando-se, por exemplo, intervalos de 5 cm,define-se N = número impactos para um deslocamentode 5 cm e a equação 6 torna-se:(7)A dependência da RP com a umidade tem sidoestudada por diversos autores e para o modelamentodesta relação, diversas equações e funções tem sidosugeridas e utilizadas. Busscher et al. (1997) testou-2b a2-4 2-2Influência da umidade na resistência2Uma questão que tem dificultado bastante o usode penetrômetros é a dependência da resistência àpenetração com a umidade. Em geral, recomenda-se quese faça a medida em condição de umidade nem muito altanem muito baixa, preferencialmente na capacidade decampo. Entretanto, essa recomendação não resolve oproblema. O ideal seria medir a umidade no momento dasondagem do penetrômetro e posteriormente se efetuaralgum tipo de correção ou normalização para um valorconstante de umidade. Outro aspecto é que ainda não ébem conhecida a dependência da RP com para uma faixalarga de umidades e também a influência do tipo de solonessa dependência.Neste sentido, este comunicado técnicoapresenta as correlações entre RP e para os 6 solos demaior ocorrência no Estado de São Paulo e discute osresultados, visando o estabelecimento de umprocedimento para a padronização e correção da medidado penetrômetro, possibilitando comparações deresultados em condições de umidades equivalentes.Figura 1. Esquema de um penetrômetro de impacto.A Figura 1 mostra um esquema de umpenetrômetro de impacto, composto de uma hastemetálica com o cone na sua extremidade e o corpometálico utilizado para o impacto (M=4kg). Durante oimpacto a energia potencial do corpo metálicoarmazenada pela elevação a uma altura conhecida éusada para inserir a haste com o cone no solo. Aprofundidade de penetração obtida pela aplicação de umaquantidade de energia constante é usada para medir aresistência à penetração do solo (RP). A RP pode serdeterminada considerando que a energia potencial docorpo metálico é convertida em trabalho de penetração docone. A energia potencial total do sistema após o impactoé igual à energia potencial do corpo metálico a uma alturah (m), mais a energia potencial da distância da penetraçãox (m). Considerando a perda de energia devido ao impactoe uma colisão inelástica do corpo metálico, obtêm-se aseguinte expressão:(1)Teoria da penetrometria dinâmicaInfluência da Umidade na Resistência do Solo Medida com Penetrômetro de Impacto( ) ( ) xgmMfhgMFx ××++×××=2÷÷øöççèæ÷øöçèæ +==babavvMmMKKf( ) ab vmMMv +=mMMf+=gAmMmMMxAhgMRP ×÷øöçèæ ++÷øöçèæ+×÷øöçèæ×××=xRP067651,05475,0 +=NRP ×+= 353,15475,0que o solo NVef (mais argiloso) apresenta o mesmo valorde RP para uma umidade de cerca de 35 %.Figura 2. Variação da resistência à penetração com aumidade de 6 solosA Figura 3 mostra a distribuição de frequênciasdas densidades das amostras de solos coletadas a cada 5cm de profundidade, para os 6 solos e a Tabela 2 aestatística básica dessas medidas. O solo com a menorvariação de densidade entre as amostras foi o PVAd. Paraum melhor modelamento da relação entre RP, e , éimportante que haja uma variação considerável dessesparâmetros.Figura 3. Distribuições de freqüência da densidade dasamostras de solo.Tabela 2. Parâmetros estatísticos da distribuição dadensidade dos solosN: número de pontos; DP: desvio padrão; Largura: largurada gaussiana à meia altura;Variação: diferença entre densidade máxima e mínimaUma vez que há uma grande variação de e umavariação considerável de , refletindo numa grandevariação de RP, torna-se possível ajustar a Eq. 8 nosdados experimentais da Fig. 2, com boa precisão,obtendo-se os parâmetros de ajuste a, n e b,apresentados na Tabela 3.q rqr3diversos modelos e concluiu que funções exponenciais e depotência são as que melhor expressam as relações entreRP e . Além da umidade, outros parâmetros como adensidade do solo, a textura e o teor de matéria orgânicapodem influenciar na medida de RP. Upadhyaya et al.(1982) derivou uma equação relacionando RP com aumidade e densidade dos solos e das partículas dossolos, como fatores preponderantes:(8)onde a, n e b são parâmetros de ajuste e dependem, emprincípio, do tipo de solo.Neste comunicado técnico iremos testar avalidade da equação de Upadhyaya para 6 solos dediferentes texturas. Os experimentos foram conduzidosna Embrapa Pecuária Sudeste, com os seguintes solos:Neossolo Quartzarênico órtico (RQo), Latossolo Vermelhodistroférrico (LVdf), Latossolo Vermelho Amarelodistrófico (LVAd), Latossolo Vermelho distrófico (LVd),Argissolo Vermelho Amarelo distrófico (PVAd) e NitossoloVermelho eutroférrico (NVef). Algumas característicasfísicas desses solos são apresentadas na Tabela 1.Tabela 1. Propriedades físicas dos solos utilizados nesteestudo.Medidas da resistência à penetração com umpenetrômetro de impacto da marca Kamaq foramrealizadas nesses solos em épocas secas e úmidasvisando a obtenção de uma ampla faixa de variação deumidades. Foram realizadas 4 medições para cada pontode amostragem, visando minimizar a variabilidade espaciallocal, anotando-se o número de impactos para cada 5 cmde deslocamento, desde a superfície até 60 cm deprofundidade. Após cada medida, foram coletadoscilindros de solo indeformado (aço, 5 cm de altura e 2polegadas de diâmetro para a medida da umidadevolumétrica e densidade a cada 5 cm, desde a superfícieaté 60 cm, totalizando 12 amostras por perfil de solo.A Figura 2 mostra a dependência entre a RP e aumidade para os 6 solos estudados. Observa-se umadiminuição exponencial da RP com o aumento daumidade, conforme descrito matematicamente na Eq. 8(Upadhyaya et al. 1982). Entretanto, observa-se tambémuma dispersão considerável dos pontos, o que é atribuídoà variação da densidade ao longo da profundidade e entreos locais amostrados. A distância entre os pontosamostrados, com diferentes condições de umidade foi decerca de um metro, para um mesmo solo, mas mesmoassim, ocorre uma variação espacial natural considerávelda densidade (Figura 3 e Tabela 2). As diferenças decomportamentos observadas entre os solos é devido àsdistintas estruturas, agregações e mineralogias dessessolos, fazendo com que solos com mesma umidadeapresentem resistências muito distintas. Por exemplo, osolo NQo (mais arenoso) apresenta um valor de RP=5MPa em aproximadamente 10 % de umidade, enquanto( )q×-÷÷øöççèæ×= baRPnpexp??Argila (%)Solo Areia (%) Silte (%) total guapHCaCl2M.O.g dm-3NQo 86 6 8 6 4,6 11LVdf 43 8 49 18 4,7 54LVAd 62 6 32 14 4,3 31LVd 43 10 47 22 5,5 37PVAd 70 6 24 18 4,9 23PVAbt 43 6 51 33 4,7 11NVef 18 16 66 49 4,6 390.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5051015202530q (cm3 cm-3)RQoPVAdLVdNVefLVAdLVdf1.0 1.2 1.4 1.6 1.80481216r (g cm-3)RQoLVAdPVAdLVdLVdfNVefSolo N Densidade do solo ( g cm -3)M dia DP Moda Largura M nima M xima Varia oRQo 57 1,587 0,069 1,585 0,246 1,460 1,735 0,275PVAd 48 1,548 0,050 1,552 0,110 1,640 1,640 0,236LVd 36 1,271 0,088 1,269 0,144 1,041 1,467 0,426NVef 36 1,153 0,088 1,149 0,130 0,972 1,402 0,430LVAd 82 1,469 0,067 1,473 0,210 1,343 1,635 0,291LVdf 72 1,367 0,094 1,369 0,453 1,197 1,595 0,398Influência da Umidade na Resistência do Solo Medida com Penetrômetro de ImpactoUma vez conhecendo-se os parâmetros de ajuste(Tabela 3) e a densidade de um dado solo, é possível seestabelecer uma correlação entre RP e de modo que sepossa normalizar medidas realizadas em diferentescondições de umidade. Essas correlações são de extremaimportância para um uso mais correto do penetrômetro deimpacto em estudos de compactação do solo.Os valores de umidade para a normalização daRP devem ser definidos em função do tipo de solo devidoàs distintas capacidades de armazenamento de águadesses solos. Na Figura 7 são apresentadas as curvas deretenção de água medidas para 6 solos, pelo método doaparelho extrator de Richards (Embrapa, 1997) e osrespectivos ajustes da função de Van Genuchten(1980).Considerando-se os limites de capacidade decampo como 10 kPa, 33 kPa e 50 kPa, para solos detextura arenosa, média e argilosa, respectivamente, pode-se calcular a umidade da capacidade de campo para cadasolo (Tabela 4).Para um melhor aproveitamento daspotencialidades do penetrômetro de impacto é importanteque as medidas sejam realizadas nas faixas de umidadeestabelecidas entre a capacidade de campo e o ponto demurcha permanente, uma vez que em solos muito úmidosnão há diferenciação da medida e em solos muito secos amedida é muito demorada e dificultada pela excessivaresistência do solo. Mesmo nesta faixa relativamentepequena de umidades, é importante que a umidade sejamedida, para uma posterior normalização dos dados deRP, uma vez que esta diferença de umidades pode causarvariações da resistência à penetração da ordem de 5MPa.Figura 7. Curvas de retenção da água no solo pelométodo de Richards (Embrapa, 1997).Tabela 4. Potenciais matriciais (h) e umidades da água nosolo na capacidade de campo (CC) e ponto de murchapermanente (PMP).q4Tabela 3. Parâmetros de ajuste da Equação 8 nos dadosda Figura 2.As Figuras 4, 5 e 6, a e b, apresentam asequações de ajuste para todos os solos, considerando-seclasses de densidades de acordo com a distribuiçãoobtida com as amostras.(a) (b)4.Variação de RP com e e ajuste da Eq. 8 para ossolos RQo e PVAd.(a) (b)Figura 5. Variação de RP com e e ajuste da Eq. 8 paraos solos LVd e NVef.(a) (b)Figura 6. Variação de RP com e e ajuste da Eq. 8 paraos solos LVAd e LVdf.q rq rq rAInfluência da Umidade na Resistência do Solo Medida com Penetrômetro de ImpactoSolo a n b EPE (MPa)RQo 51498,74 15,4212 13,4212 2,40PVAd 71,7457 3,0972 7,8482 1,40LVd 3768,855 4,8666 10,9181 1,64NVef 2820,435 3,7412 7,7809 0,64LVAd 1203,635 3,4705 13,6463 2,58LVdf 42228,443 6,9214 13,6234 1,100.0 0.1 0.2 0.3 0.405101520251,531,641,72 g cm-3RQo1,5 - 1,6 g cm-31,6 - 1,7 g cm-31,7 - 1,8 g cm-3q (cm3 cm-3)0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.3502468101,62 g/cm31,53PVAdr = 1,5 - 1,6 gcm-3r = 1,6 - 1,7 gcm-3q (cm3 cm-3)0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.450246810121,151,261,36 g cm-3LVd1,1 - 1,2 gcm-31,2 - 1,3 gcm-31,3 - 1,4 gcm-3q (cm3 cm-3)0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50024681012 1,27 g cm-31,161,05NVef1,0 - 1,1 gcm-31,1 - 1,2 gcm-31,2 - 1,3 gcm-3q (cm3 cm-3)0.1 0.2 0.3 0.405101520251,451,371,54 gcm-3LVAd1,3 - 1,4 gcm-31,4 - 1,5 gcm-31,5 - 1,6 gcm-3q (cm3 cm-3)0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45048121620241,261,341,451,53 gcm-3LVdf1,2 - 1,3 gcm-31,3 - 1,4 gcm-31,4 - 1,5 gcm-31,5 - 1,6 gcm-3q (cm3 cm-3)0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.11101001000q (cm3cm-3)RQoLVAdPVAdLVdLVdfNVefSolo hCC (kPa) qCC (cm3 cm-3) hPMP (kPa) qCC (cm3 cm-3)RQo 10 0,156 1500 0,074PVAd 10 0,227 1500 0,107LVd 33 0,246 1500 0,191NVef 50 0,355 1500 0,297LVAd 33 0,232 1500 0,158LVd 33 0,271 1500 0,202Referências BibliográficasASAE. Standards engineering practices data (soil conepenetrometer, S313.2). St. Joseph, 1994. Não-paginado.BRADFORD, J. M. Penetrability. In: KLUTE, A. (Ed.).Methods of soil analysis. Part 1. Physical andmineralogical methods. 2. ed. Madison: AmericanSocieity of Agronomy, 1986. (Monograph, 9).BUSSCHER, W. J.; BAUER, P. J.; CAMP, C. R.; SOJKA,R. E. Correction of cone index for soil water contentdifferences in a coastal plain soil. Soil Tillage Research,Amsterdam, v. 43, p. 205-217, 1997.STOLF, R. Teoria e teste experimental de fórmulas detransformação dos dados de penetrômetro de impacto emresistência do solo. Revista Brasileira de Ciência do Solo,Campinas, v. 15, p. 229-235, 1991.UPADHYAYA, S. K.; KEMBLE, L. J.; COLLINS N. E. Coneindex prediction equations for Delaware soils. [St.Joseph: ASAE], 1982. 4 p. (ASAE Paper, 82-1542). MI49085.5Comitê dePublicaçõesExpedientePresidente:Secretária Executiva:Membros:Membro Suplente:Supervisor editorial:Revisão de texto:Tratamento das ilustrações:Editoração eletrônica:Dr. Luiz Henrique Capparelli MattosoJanis Aparecida BaldovinottiDr. Odílio Benedito Garrido de Assis,Dr. João de Mendonça Naime,Dr. Rubens Bernardes Filho,Dr. Washington Luiz de Barros MeloDébora Marcondes B. P. MiloriDr.Valentim MonzaneValentim MonzaneOdílio B. Garrido de AssisJanis Aparecida BaldovinottiComunicadoTécnico, 51Exemplares desta edição podem ser adquiridos na:Rua XV de Novembro, 1542 - Caixa Postal 741CEP 13560-970 - São Carlos-SP16 274 247716 272 5958sac@cnpdia.embrapa.brwww.cnpdia.embrapa.br1a. impressão 2002: tiragem 300Embrapa Instrumentação AgropecuáriaFone:Fax:E-mail:1a. ediçãoMinistério daAgricultura,PecuáriaeAbastecimentoInfluência da Umidade na Resistência do Solo Medida com Penetrômetro de Impacto

Influência da umidade na resistência do solo medida com penetrômetro de impacto.

Este comunicado técnico apresenta as correlações entre RP e para os 6 solos de maior ocorrência no Estado de São Paulo e discute os resultados, visando o estabelecimento de umprocedimento paa a padronização e correlação da medida do penetrômetro, possibilitando comparações de resultados em condições de umidades equivalentes

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