rcta10408

Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: parte II. Interfase suelo-herramienta

Mechanical properties of a Rhodic Ferralsol required for the simulation of the soil tillage tool interaction by means of Finite Elements Method: Part II interfase soil-tool

Miguel Herrera Suárez¹, Ciro E. Iglesias Coronel², Omar González Cueto³, Elvis López Bravo⁴

RESUMEN. Se investigan las propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol relacionadas con la interfase suelo-herramienta, requeridas para la simulación de la interacción suelo-herramienta de labranza mediante el Método de Elementos Finitos. Los resultados permitieron determinar las dependencias variacionales de la adhesión del suelo al metal, fricción externa o fricción suelo metal y la resistencia del suelo al deslizamiento del suelo sobre una superficie metálica o tensión de deslizamiento, con respecto a la variación de su estado de humedad y densidad de volumen seca del suelo.

Palabras clave: cortante directo modificado, mecánica de suelo, interfase suelo-herramienta.

ABSTRACT. The mechanical properties of a Rhodic Ferralsol related with the interface soil-tool required for the simulation of the interaction soil-tillage tool by means of the Finite Elements Method, is investigated. The results allowed determining the dependence and variability of: soil-metal adhesion, external friction or soil-metal friction and the soil-metal slip resistance or slip tension, with regard to the variation of their state of humidity and dry soil density..

¹Dr. C. Prof. Aux., Universidad Central «Marta Abreu» de las Villas (UCLV), Departamento de Mecanización Agropecuaria, Villa Clara, Cuba,

²Dr. C. Prof. e Inv. Titular, Centro de Mecanización Agropecuaria, Universidad Agraria de La Habana.

³MSc., Profesor Auxiliar, Departamento de Mecanización Agropecuaria, UCLV, Villa Clara, Cuba.

⁴MSc. Prof. Aux., Departamento de Mecanización Agropecuaria, UCLV, Villa Clara, Cuba.

Las propiedades relacionadas con la interfase suelo-herramienta de labranza juegan un papel fundamental a la hora de similar los fenómenos que se ponen de manifiesto durante el contacto y deslizamiento del suelo sobre la superficie de la herramienta de labranza, pues caracterizan la respuesta mecánica del suelo durante este proceso.

En esta interfase las propiedades macroscópicas del suelo que se requieren para la simulación de la interacción suelo-herramienta de labranza mediante el Método de Elementos Finitos son, la adherencia del suelo a la superficie de la herramienta, la fricción externa (fricción suelo-herramienta) que en la mayoría de los casos se refiere a la fricción suelo-metal y la tensión de deslizamiento del suelo sobre la superficie de la herramienta, la cual caracteriza a los esfuerzos que se oponen al deslizamiento del suelo sobre la superficie de la herramienta [2] [5] [12] [16] [17].

En el ámbito mundial es estudio de estas propiedades en los suelos agrícolas es una práctica común [1] [3] [4] [13] [14], sin embargo en Cuba las principales investigaciones se han limitado a los vertisuelos de la costa norte villaclareña [8] [9] [10] y los suelos rojos y negros plásticos de la provincia La Habana [6] [7]. En el caso de los vertisuelos las investigaciones abarcaron, la fricción externa, la adherencia y la resistencia al deslizamiento del suelo sobre la superficie de la herramienta (superficie metálica), sin embargo para los suelos rojos y negros plásticos las investigaciones se enmarcaron al estudio de la fricción externa de estos suelos sobre superficies metálicas y plásticas, quedando por investigar la adherencia y la tensión de deslizamiento.

El método más aceptado para la determinación de las propiedades mecánicas del suelo relacionadas con la interfase suelo-metal es el de cortante directo modificado, que permite determinar las propiedades mecánicas del suelo referidas a la interfase suelo metal en un solo ensayo, a partir de que se sustituya el plano de deslizamiento del suelo por un material del mismo tipo que el de la superficie de las herramientas de labranza.

Tomando en cuenta la importancia que tienen el conocimiento de las propiedades mecánicas del suelo relacionadas con la interfase suelo-metal para su utilización como datos de entrada para la simulación de la interacción suelo-herramienta de labranza mediante el método de elementos finitos, la importancia agrícola de los suelos clasificados como Rhodic Ferralsol, y el desconocimiento de la mayoría de estas propiedades en estos suelos, se decide realizar el presente trabajo que tiene como objetivo, determinar las Propiedades mecánicas relacionadas con la interfase suelo-herramienta de un Rhodic Ferralsol, requeridas para la simulación de la interacción suelo-herramienta de labranza mediante el Método de Elementos Finitos.

Metodología para la determinación de las propiedades relacionadas con la interfase suelo-metal

Las propiedades determinadas en este estudio fueron la fricción externa (suelo-metal), la adherencia suelo-metal, y los esfuerzos que se oponen al deslizamiento del suelo sobre el metal, las mismas se determinaron mediante una ensayo de cortante directo modificado. La modificación de este ensayo consistió en la colocación de una chapa metálica en la parte inferior de la caja de corte, de forma tal que obligue el suelo a deslizarse sobre la superficie metálica, Figura 1. El procedimiento metodológico para la realización de este ensayo y la determinación de las propiedades relacionadas con el mismo se detallan por Herrera et al. en [8] [10]. En las Figura 1 b y c, se muestra la chapa que se coloca en la caja de corte y un esquema de la caja modificada.

FIGURA 1. Ensayos de corte directo. a) aparato de corte directo; b) Chapa de metal; c) Esquema de caja de corte modificada.

Relación esfuerzo deformación. Los resultados experimentales emanados de la determinación de las propiedades relacionadas en esta interfase permiten afirmar que, la relación esfuerzo-deformación va a depender en gran medida de la magnitud de las presiones normales que actúan sobre la probeta de suelo, mostrando una tendencia a la deformación no lineal del suelo cuando este se desliza sobre la superficie metálica (Figura 2).

FIGURA 2. Curva esfuerzo-deformación resultante de los ensayos de cortante directo modificado. H=40%, g_d=1.387.

Ángulo de fricción suelo-metal. Los resultados de la determinación de esta propiedad muestran que el ángulo de fricción suelo-metal (d) disminuye de forma no lineal en la medida que aumenta la humedad (H) en los tres horizontes muestreados, ocurriendo lo inverso cuando aumenta la densidad del suelo (g_d), Figura 3. Para el caso del primer horizonte muestreado el ángulo de fricción suelo-metal aumentó linealmente con el aumento de la densidad aparente (Figura 3a), para el resto de los horizontes la fricción aumentó con el cuadrado de la densidad (Figuras 3b y 3c).

FIGURA 3. Comportamiento de la fricción suelo-metal. a) Prof. 0…15; b) Prof. 15…30; c) Prof. 30…50 cm.

El análisis estadístico mostró que la interacción entre la humedad y la densidad no fue encontrada significativa para cada uno de los horizontes analizados, comportamiento que está condicionado por la forma de preparación de los especimenes de suelo. Las tendencias y relaciones encontradas entre las variables en estudio concuerdan con las obtenidas por varios investigadores en suelos de naturaleza semejante a la del suelo investigado, [4] [6] [10] [16] [17].

El análisis del comportamiento del ángulo de fricción suelo metal (d) en cada uno de los niveles de profundidad, mostró (Figura 3) los menores valores (5 grado) en el horizonte de 30…50 cm de profundidad. Los mayores valores (54 grado) se alcanzaron en el horizonte intermedio 15…30 cm de profundidad, comportamiento similar al encontrado en los vertisuelos de la costa norte villaclareña [8] [10]. En sentido general no se define una tendencia a la disminución del ángulo de fricción interna, en la medida que aumenta la profundidad de muestreo. El rango de valores alcanzado (5…54 grado) concuerda con los obtenidos por García de la Figal [6], en un suelo rojo de naturaleza semejante al analizado.

Los valores obtenidos manifiestan que los suelos ferralíticos rojos se comportan de manera semejante a un suelo arenoso cuando el contenido de humedad es inferior al límite plástico y de manera similar a las arcillas plásticas cuando el contenido de humedad sobrepasa dicho límite.

No se encontraron evidencias en estos suelos de la influencia del contenido de arcilla, ni de materia orgánica sobre el comportamiento del ángulo de fricción suelo-metal, para cada uno de los horizontes en estudio.

Adhesión del suelo-metal. Los resultados de los ensayos experimentales para determinar el comportamiento de la adhesión del suelo-metal (Ca) mostraron, una tendencia a su aumento en la medida que aumenta el contenido de humedad y el estado de densificación del suelo (Figura 4), alcanzando valores máximos de 23 kPa en el horizonte intermedio. Los valores mínimos oscilaron entre 2 y 5 kPa. Los valores alcanzados (2…23 kPa) se encuentran en el rango típico para los suelos arcillosos, lo cual concuerda con los resultados obtenidos por otros autores [16] [17].

El análisis estadístico corroboró la estrecha dependencia existente entre el comportamiento de la adhesión del suelo al metal y los estados de humedad y densidad presente en el mismo. La interacción entre la humedad y la densidad del al comparar el comportamiento de la adhesión en cada uno de los horizontes se observó una tendencia al aumento de la misma en la medida que aumenta la profundidad del suelo, lo cual puede estar influenciado por el aumento del contenido de arcilla, aunque en el horizonte intermedio se alcanzaron los máximos valores (23 kPa), comportamiento semejante al encontrado en los vertisuelos de la costa norte villaclareña [10, 12].

FIGURA 4. Comportamiento de la adhesión suelo-metal. a) a) Prof. 0…15; b) Prof. 15…30; c) Prof. 30…50 cm.

La tendencia mostrada por la adhesión es un indicador de que la misma alcanza un punto de máximo valor en la medida que el contenido de humedad se acerca al límite líquido. Este comportamiento concuerda con las tendencias que clásicamente se observan durante la evolución de la adhesión suelo-metal con respecto al aumento del contenido de humedad [2] [16] [17].

Resistencia a los esfuerzos cortantes que surgen durante el deslizamiento del suelo sobre el metal

Finalmente el análisis de la resistencia al cortante en la superficie suelo-metal (t_a), mostró en los tres horizontes muestreados una tendencia al aumento en la medida que aumentó el contenido de humedad, alcanzando un valor máximo cuando el contenido de humedad se acerca al límite plástico de estos suelos, a partir del cual comenzó a disminuir drásticamente (Figura 5). Este comportamiento corrobora la existencia de una fase que va a estar dominada por la fricción suelo-metal cuando el contenido de humedad del suelo es bajo, otra en la cual se va a manifestar una elevada adherencia conjuntamente con valores significativos del ángulo de fricción suelo-metal, cuando el contenido de humedad se encuentra cercano al límite plástico y finalmente una fase donde van a predominar valores elevados de la adhesión suelo-metal cuando la humedad excede el valor del límite plástico (Figura 3 y 4).

Por otra parte también se pudo observar que la resistencia a los esfuerzos cortantes del suelo-aumentó de forma no lineal en la medida que aumentó la densidad del suelo (Figura 5).

FIGURA 5. Variación de la resistencia al cortante en la interfase suelo-metal. a) Prof 0…15; b) Prof 15…30; c) Prof 30…50 cm.

El análisis estadístico corroboró la estrecha dependencia de la resistencia al cortante en la superficie suelo-metal con respecto a la humedad y la densidad del suelo, para los tres horizontes muestreados.

La interacción entre la humedad y la densidad tampoco fue encontrada como significativa en esta relación.

La resistencia al cortante en esta interfase mostró que la misma toma valores que oscilan entre 29…78 kPa. No se define una tendencia en cuanto al aumento o disminución de esta propiedad, los menores valores (29 kPa) se encontraron en el horizonte intermedio (15…30 cm).

Los cálculos de la resistencia al cortante mostrados se realizaron para una presión normal media de 65,25 kPa.

• Los valores y tendencias encontrados durante la determinación de las propiedades concuerdan con los obtenidos por otros investigadores, en suelos de naturaleza semejante.

• La variación de la magnitud del ángulo de fricción suelo-metal ante los cambios de humedad y densidad de suelo permite afirmar, que el mismo posee un comportamiento semejante a una arena cuando se encuentra en estado seco (54 grado), y a una arcilla en la medida que la humedad se acerca al límite plástico (5 grado).

• Las magnitudes alcanzadas por la adherencia suelo-metal permiten clasificar a los Rhodic Ferralsol como suelos muy adhesivos.

• La respuesta mecánica de los suelos objeto de estudio en la interfase suelo-metal está condicionada por el contenido de humedad y estado de compactación del suelo.