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INDICE

• INTRODUCCION• FORMAS EN QUE SE ENCUENTRA• COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD (K)

• SIFONAMIENTO O EBULLICION• CARGAS DE AGUA• FLUJO UNIDIMENSIONAL• FLUJO BIDIMENSIONAL• METODOS DE SOLUCION DE REDES DE FLUJO

• AGOTAMIENTO DE SUELOS• SISTEMA DE REBAJAMIENTO DEL NIVEL FREATICO• SISTEMA DE WELLPOINTS

Indice

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EL AGUA EN EL TERRENO

Capa freática colgada

acuífero

acuífero

acuicluso

acuiclusoNf principal

El agua subterránea recurso mineral mas importante extraído de la tierra( 30% del consumo diario en el mundo)

- Agua fósil : Atrapada en el intersticio de los sedimentos (a menudo salada).

- Agua meteórica : Parte de la precipitación que se filtraCiclo: Filtrado - extraída - evaporada - distribuida por el viento - condensación - vuelve a la superficie del terreno.

Acuicluso

Pozo artesiano

Acuifero

Acuicluso

Formas en que se encuentra (División arbitraria)

Ej:Al2OnSiO2kH2OForma gral.de las arcillas.N y k=valores numéricos de ligazón molecular

PELICULA QUE ENVUELVE LAS PARTICULAS DE SUELO SOBRE LA CUAL ACTUAN LAS FUERZAS MOLECULARES DE ADHESION

Parte del agua adsorvida no es removida al secar el suelo a 100�� ��

C y por lo tanto para todo efecto practico, se considera que el grano-película no removida es la partícula de suelo

1.- AGUA ADSORBIDA

2.- AGUA CAPILAR

3.-AGUA GRAVITACIONAL

4.-(AGUA DE COMBINACION QUIMICA)

1.-AGUA ADSORBIDA

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Expansiones y contracciones en el suelo. La textura es inversamente proporcional a los cambios de volumen.

Debido al agua higroscópica el volumen del suelo aumenta hasta un valor máximo de higroscopía según los siguientes valoresArena 1% del volumen del suelo secoLimo 5% del volumen del suelo secoArcilla 20% del volumen del suelo seco

EFECTO DE LOS CAMBIOS VOLUMETRICOS DEL SUELO EN LAS LOSAS DE PAVIMENTO

HUMEDO SE MANTIENE SECO

LOSA PAVIMENTO

EJECUCION EN PERIODO SECO

HUMEDO

expansión

EJECUCION EN PERIODO HUMEDO

SECO SECO

SE MANTIENE HUMEDO

LOSA PAVIMENTO

contracción

1.1.-CAMBIOS DE VOLUMEN

1.1.-CAMBIOS DE VOLUMEN1.2.-CAMBIOS DE COHESION1.3.-CAMBIOS DE ESTABILIDAD MECANICA

AGUA HIGROSCOPICA: Es aquella que se condensa en la superficie de las partículas cuando un suelo seco es expuesto al aire húmedo.

Coh

esió

n (K

g/cm

2 )

1401201008040 60

γ = cte

W % con respecto a L.L

1.2 CAMBIOS DE COHESION (C)

Para una determinada densidad del suelo existe una relación inversa entre el valor de la resistencia al corte y su humedad

La capacidad de un suelo de absorber agua sin perder su cohesión o pasar al estado semi-fluido queda expresada por el IP

Suelo inalteradoSuelo remoldeado

Los suelos granulares poseen la propiedad de desarrollar estabilidad interna debido al mutuo soporte de las partículas.

Esta propiedad se puede alterar por la película de agua adsorvida con un efecto mucho mas importante en los suelos de textura fina que en los gruesos donde es casi nula.

Ej: LIMOS CON AGUA<ESTABILIDAD MECANICA Y BAJA CAPACIDAD EN SOPORTE.

1.3 CAMBIOS EN LA ESTABILIDAD MECANICA

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VALORES TIPICOS DE hc PARA DIFERENTES SUELOS

Los procesos de adsorción y capilaridad corresponden a complicados mecanismos físicos de condensación y evaporación que se producen en la superficie de un sólido y en el se establece un equilibrio entre las fases; sólida liquida y gaseosa.

Arena gruesa

Arena media

Arena fina

Limo Arcilla

250

200

150

100

50

0

+300 +500

2.-AGUA CAPILAR

Es aquella que se eleva sobre el nivel de agua libre gravitacional, es decir por encima del nivel en el cual la presión es igual a la atmosférica, hasta la zona de aireación o no saturada

El comportamiento del agua capilar esta influido por una serie de factores tales como la textura, estructura, movimiento del N.F, etc.

(Esta suspendida en el suelo y no escurre libremente sino que por gravedad)

N.T

Zona de aireación

N.F Agua capilarhc

Agua libre

3.- AGUA GRAVITACIONAL O LIBRE

ES AQUELLA CUYO MOVIMIENTO O ESTADO DE EQUILIBRIO ESTA DETERMINADO FUNDAMENTALMENTE POR LA ACCION DE GRAVEDAD Y SE RIGE POR LAS LEYES DE LA HIDRAULICA

PROBLEMAS PRESENTADOS EN EL AGUA LIBRE

1.- Flujo de Agua (Estudio de leyes que rigen su movimiento)2.- Efecto sobre las presiones efectivas del suelo.

1.- FLUJO DE AGUA

Existen dos tipos de movimientos de aguai) LAMINAR (<V)ii) TURBULENTO (>V)

El movimiento laminar corresponde a la mayoría de los problemas de flujo de agua en los suelos. Su estudio se hace aplicando la ley de Darcy.(París 1850).

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k = Q i·A

Donde:Q : Volumen que se descarga en un tiempo ti : Gradiente hidráulicoA : sección del suelo en la dirección normal al flujo

i = h1 - h2�

LA PERMEABILIDAD ES LA PROPIEDAD DE LOS SUELOS QUE TIENE EL MAS AMPLIO RANGO DE VARIACION

k grava limpia = 10 cm/seg = 1010

k arcilla plástica 10-9 cm/segVd = Q = k·i

A

Plano de comparación suelo

Línea de energía totalpiezometros

ho

A B C D

Línea de gradiente hidráulico

L

∆h

h1Derrame

1. Evaluación de la cantidad de filtración a través de presas y diques, hacia pozos de agua

2. Evaluación de subpresión bajo estructuras para un análisis de estabilidad

3. Control de velocidad de filtración para evitar erosión de una masa de suelo

4. Velocidad de consolidación

ES LA PROPIEDAD DE UN SUELO QUE PERMITE EL PASO DE UN FLUIDO A TRAVES DE EL, BAJO LA APLICACIÓN DE UNA PRESION HIDROSTATICA.

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CARGA CONSTANTE

Se recoge “Q” en el tiempo “t”

V = - dhdt

Por lo tanto el flujo resultante hacia la muestra

CARGA VARIABLE CARGA CONSTANTE(con dispositivo de rebalse)

QLh

Area “a”

Ah2

h1k = Q·lA·h·t

(cm/seg)

CARGA VARIABLE

qentra = -a·dhdt

qsale = A·v=A·k·iFlujo a través de la muestra

Por continuidad

Separando, integrando y partiendo del tiempo t1=0 (Cte de integración = 0)

q entra =q sale =>

K= a·L·ln h1A·t h2

(CM/SEG)

-a dh = A·k·hdt L

1. SUELO IN-SITU ESTRATIFICADO

2. ESTRUCTURA IN-SITU DISTINTA QUE EN LABORATORIO

3. EFECTOS DE BORDE

4. T�� ��

=> VISCOSIDAD

5. SI k ES MUY PEQUEÑO EXISTE EVAPORACION Y FILTRACIONES EN EL EQUIPO

6. EL GRADIENTE HIDRAULICO i=Dh/L DE LABORATORIO GENERALMENTE ES MUCHO MENOR QUE EN TERRENO

7.- OTROS

LIMITACIONES DE LA DETERMINACION DE k EN LABORATORIO

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1. LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO (varia con la temperatura)

%Pasa por #100 (en peso) K�10-3(cm/seg)(suelo>1”)0 30 a 1002 3 a 354 1 a 156 0.2 a 67 0.1 a 1

3. PRESENCIA DE DISCONTINUIDADES

2. EL TAMAÑO Y CONTINUIDAD DE LOS POROS Y GRIETAS A TRAVES DE LOS CUALES PASA EL FLUIDO.

• Tamaño y forma de las partículas• Densidad del suelo (k varia entre 20 veces γγγγdmax y γγγγdmin)• Estructura del suelo

SIFONAMIENTO O EBULLICION

• El sifonamiento es un estado, no un material• El i ascensional para que exista sifonamientoen un suelo c =0,

no cargado es igual a:

σv`= σv-µ = (a·γw+b·γb+∆qs)-h·γw

Si ∆qs=0 y a= 0, c=0

σv`= b·γt - h·γw

i =∆ ht = h-bb b

o h = b (i+1)

∴ σ`= b·γt·-b·(i+1)·γw

Si ∃ SIFONAMIENTO σ` = 0 e i = ic

γt = γw + ic ·γw → ic = (γt - γw) / γw = γb/γw

a

b

γb/γw ≈ 1

SueloA

h∆∆∆∆ qs

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CARGAS DE AGUALA FILTRACION DE UN LIQUIDO A TRAVES DE UN SUELO SE DERIVA DE LA RXISTENCIA DE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL HIDRAULICO ENTRE DOS PUNTOS DE SU MASA.El potencial entre cada punto puede establecerse de acuerdo con el teorema de Bernoulli:

Z : altura geométricau : presión del liquido sobre la atmósferav : velocidad de filtración

La diferencia de potencial entre dos puntos (Dh = ha-hb) genera un gradiente hidráulico, “i”, en la dirección S:

Esta ecuación define dos familias de curvas características, ortogonales entre si: las líneas de corriente o trayectorias de flujo y las líneas equipotenciales, donde h = cte.

Para caso plano y terreno uniforme

Es despreciable frente a los otros dos

h = z + u + v2

γw 2g

v2

2g

A partir de “i“ se puede establecer la ecuación que rige el movimiento del agua en suelo

Por lo tanto Dh/l

φ= funcion potencial

Ecuación de Laplace(Medio isotropo, bidimensional)

(Si existe anisotropia)

DsDh

limdsdh

iDs 0→

−=−=

2

2

2

2

2

2

dzd

Kzdyd

Kydxd

Kxφφφ ⋅+⋅+⋅

02

2

2

2

=⋅

+⋅ zd

hdxdhd

1.- VELOCIDAD a la que escurre el agua a través del suelo (Por ejemplo para determinar el caudal de fugas a través de una presa de tierra).

2.- CONSOLIDACION

por ejemplo : Calculo de la velocidad del asentamiento.

3..- RESISTENCIA

por ejemplo: Calculo del F.S. de un terraplén.

4.- ALTERACIONES como erosión interna, arrastre de partículas, etc..

En problemas de ingeniería de suelos, el agua se considera que fluye de A a B según una línea recta con cierta velocidad efectiva.

- Tamaño del poro- Posición del poro (distancia entre poros)

La velocidad de escurrimiento es función de :

FLUJO UNIDIMENSIONAL

En estos casos, el gasto de filtración, el gradiente y la carga en cada punto se obtienen utilizando la ley de Darcy y otros principios básicos de la hidráulica.

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FLUJO BIDIMENSIONAL

- EL POTENCIAL HIDRAULICO- EL GRADIENTE- LA VELOCIDAD- LA DIRECCION DEL FLUJO- EL CAUDAL UNITARIO DE FILTRACION

• Conocidas ambas curvas características se obtiene en cada punto:

Se trata de obtener las dos familias de características. a traves de la funcion de flujo ΨΨΨΨ (x, z) (que da las líneas de corriente) y la función de potencial φφφφ (x, z) (que proporciona las equipotenciales)

PROCEDIMIENTOS DE RESOLUCION DE REDES DE FLUJO

Sistema de cuadrados o rectángulos formados por la intersección de líneas de flujo y líneas equipotenciales o de igual carga potencial (perpendiculares).

RED DE FLUJO

Este problema se presenta en cualquier estructura que tenga contacto con el agua (presas, puertos, etc.)

En estos flujos, los principios básicos con que se resuelven los problemas unidimensionales no bastan. Para ello se recurre al concepto de red de flujo.

SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

LA EXPERIENCIA LO MUESTRA Y LA TEORIA LO PRUEBA QUE UNA NAPA DE AGUA, EL NIVEL PIEZOMETRICO ES EL MISMO EN TODOS LOS PUNTOS.

POR EL CONTRARIO, SI HAY UN ESCURRIMIENTO (CARACTERIZADO POR LAS LINEAS DE FLUJO (a, b, c,...), LOS PUNTOS (A, B, C...) PRESENTAN EL MISMO NIVEL

PIEZOMETRICO Y ESTAN SITUADOS SOBRE UNA MISMA SUPERFICIE, PERPENDICULAR A ESTAS LINEAS DE FLUJO, ESTAS SUPERFICIES LLEVAN EL NOMBRE DE

SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

c

b

aA

B

C

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A.- RESOLUCION DE LA ECUACION DE LAPLACE MEDIANTE EL USO DE VARIABLES COMPLEJAS QUE PERMITAN RESOLVER GRAN NUMERO DE PROBLEMAS DE CONTORNO.

B.- MODELOS ANALOGICOS ELECTRICOS (Se utilizan modelos bidimensionales, sobre papeles conductores especiales que simulan el terreno)

C.- METODOS NUMERICOS, RESOLVIENDO LA ECUACION DE LAPLACE POR DIFERENCIAS FINITAS.

D.- METODOS MANUALES, DIBUJANDO LA RED DE CORRIENTE A MANO ALZADA, BASANDOSE EN SUS PROPIEDADES.

PARA HALLAR ESTAS FUNCIONES SE RECURRE A LOS SIGUIENTES PROCEDIMIENTOS:

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INCONVENIENTES DE LA PRESENCIA DE AGUA EN UNA EXCAVACIÓN.

• DIFICULTA O IMPOSIBILITA EL TRABAJO

• MODIFICA EL EQUILIBRIO DEL SUELO PROVOCANDO LA INESTABILIDAD DEL FONDO DE LA EXCAVACIÓN O EL DESMORONAMIENTO DE LOS CORTES.

• PROVOCA SUB-PRESIÓN Y CONSECUENTEMENTE FLOTACIÓN DE ESTRUCTURAS AFINES.

AGOTAMIENTO DE SUELOS

CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DEL METODO DE AGOTAMIENTO DE AGUAS SUBTERRANEAS

• PROPOSITO DEL AGOTAMIENTO ( PRESAS, CAMINOS, EDIFICIOS, ETC)

• CANTIDAD DE AGUA A AGOTAR

• PROFUNDIDAD DEL NIVEL FREATICO

• CONDICIONES GEOLOGICAS DE LA ZONA

• FACTORES DE COSTOS

OBJETIVOS DE LAS EXCAVACIONES PARA DRENADO

• PRODUCIR CONDICIONES SECAS DE TRABAJO• EVITAR LA ELEVACION O SUBPRESIONES EN EL FONDO

DE EXCAVACIONES• REDUCIR LAS PRESIONES LATERALES SOBRE SOPORTES

TEMPORALES • MEJORAR LA ESTABILIDAD DE TALUDES TEMPORALES • REDUCIR EL CONTENIDO DE HUMEDAD DE TERRENOS

QUE SE VAYAN A EXCAVAR( EMPRESTITOS)

•12

3 ZANJAS

3 POZOS

3 GALERIAS

3 PUNTERAS O WELL-POINT.

Sistemas de agotamiento del nivel freatico

•13

1.- POZO COMPLETO EN ACUIFERO CONFINADO

CURVA DEL NIVEL PIEZOMETRICO Y QQ = 2π·K·e H-h = 2,73 k·e H-h

ln (R/a) log (R/a)

Z-h = (H-h) ln (r/a) = Q·ln(r/a)ln (R/a) 2 π·k·e

K·e : Transmisibilidad del acuífero

ha

R

z

r

e

Nivel piezometrico inicialCono de depresión

Estrato acuífero

Q

H

DISEÑO DE POZOS

•14

SISTEMA DE WELLPOINTS

Grupo de pozos de diámetro pequeño (2” a 8”), poco espaciados, de profundidades pequeñas (< 15 m). Están conectados a una tubería general o colector, sobre la que trabaja una bomba centrifuga

Acuífero de arena

NIVEL ESTATICO

CONO DE DEPRESION

BOMBA

NIVEL DE BOMBEO

DEPRESION

ALTURA DE

SUCCION

NIVEL ESTATICO

Mayor altura de aspiración 7m

Filtro

Profundidad al nivel estático

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DISPOSICION EN PLANTA DEL SISTEMA

Tubería colectora

INSTALACIÓN DE WELLPOINTS

Para pozos profundos : percusión o rotación

REBAJAMIENTO OBTENIDO EN UN PUNTO P

a) Acuífero confinado

F : Función común que depende de la disposición de los pozos

Hinca : en formaciones blandas, h=15 arenosas, sin gravas gruesas

Chorro de agua : en formaciones arenosas suelta

KF

riRi

lnQik

1ZH

ni

1i

22

⋅π=⋅

⋅π=− �

=

=

b) Acuífero Libre

ke2F

riRi

lnQike2

1ZH

ni

1i

22

π=⋅

π=− �

=

=

Bombar1 r2

Puntera

Evacuación de aguas

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PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO DEL ”POZO EQUIVALENTE”

1.- ACUIFERO CONFINADO

2.- ACUIFERO LIBRE

H-hc = REBAJAMIENTO DE LA CAPA FREATICA EN EL CENTRO DEL CIRCULO

H-hp = Descenso en cada pozo

H-hc = Fc2πKe

H-hp = Fp2πKe

Ac

A

H2-hc2 = FcπK

H2-hp2 = FpπK

Fc= n·Q·ln (R/A) Fp = Q·ln· Rn

n·α·A(n-1)

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