PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS

SUELOS

INTRODUCCION

Las propiedades físicas de la superficie del suelo y de la capa, de algunos milímetros, por debajo de ella son las responsables de la infiltración del agua en el sue lo y/o de la escorrentia. La modelización y la simulación pueden ser unos instrumentos muy útiles para predecir la infiltración y el movimiento del agua en el suelo. El desarrollo de los modelos necesita de medidas precisas de las propiedades físicas del suelo con e l fin de representar lo mejor posible la realidad. La caracterización de las propiedades hidráulicas de la superficie del suelo es también de mucha utilidad en los estudios de los procesos de erosión. En muchos suelos, los macroporos juegan un papel importante en el transporte rápido del agua durante la infiltración, ya que estos operan cuando el potencial del agua en el suelo es muy alto (próximo a cero). Debido a la naturaleza frágil de los macroporos, para conocer su contribución a las propiedades hidráulicas del suelo es necesario realizar las medidas "in situ" . Se han desarrollado algunos intrumentas y técnicas para las medidas en el campo de las propiedades hidráulicas del suelo en condiciones no saturadas (Dixon, 1975; Hillel y Gardner, 1970; Bouma y Denning, 1972). Recientemente se han desarrollado instrumentos simples (Clothier y White, 1981; PerrOux y White, 1988) que penniten medir fácilmente "in situ" las propiedades de absorción y transmisión del sue lo no saturado: la sorptividad (sorptivity) S (phil ip, 1957) Y la conductividad hidráulica K respectivamente. La influencia de los macroporos en la infiltración puede ser estimada comparando los valores de sorptividad (So) y conductividad hidráulica (1

Propiedades Hidráulicas del Suelo

Introducción

El agua afecta en forma muy importante el comportamiento de los suelos, especialmente a los suelos finos. Conviene tener muy presente que los problemas del agua en los suelos abarcan múltiples escalas de tamaño, desde el nivel molecular hasta el macroscópico.

Como ya se mencionó, el suelo está compuesto por un sistema de partículas minerales y de materia orgánica. Asociado a éste, existe otro sistema, el de vacíos. A través de este sistema, el agua puede fluir de puntos de mayor energía hacia puntos de menor energía.

La interacción del agua con la fase sólida cambia el comportamiento de ambos. El agua causa que la fase sólida del suelo se expanda o se contraiga, que las partículas se adhieran unas a otras y que formen agregados de partículas, lo cual da origen a elementos estructurales del suelo. El agua participa en innumerables reacciones químicas que son fundamentales en el comportamiento del suelos.

Asimismo, la presencia del agua es un factor dominante en muchos problemas de la ingeniería geotécnica. En forma simple, los problemas del agua en los suelos se puede dividir según dos clases de condiciones:

Condiciones estáticas. Este tipo de problema se refiere al agua en reposo; por ejemplo, el nivel de agua freática (NAF) y sus variaciones, en este caso, la presión del agua en los poros del suelo es hidrostática. Otros problemas son la capilaridad y el agua adsorbida, entre otros.

Condiciones dinámicas. Este tipo de problema se refiere al agua en movimiento, es decir, a problemas ocasionados por el flujo de agua a través de los poros del suelo; por ejemplo, el proceso de consolidación de los suelos, el flujo de agua debido a una excavación y las pérdidas por filtración de agua en la cortina de una presa, entre otros.

Para el estudio del agua en los suelos se parte de dos hipótesis fundamentales:

1. El suelo está 100% saturado, es decir, se trata de un material de dos fases.

2. Todos los poros del suelo están conectados a los poros vecinos, así que se forman tubos los cuales el agua se mueve, es decir, los poros presentan continuidad y la trayectorias físicas del agua siguen curvas continuas y suaves, llamadas líneas de flujo.

CONTENIDO

1.- FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO.

Los problemas relativos al flujo de líquidos en general, pueden dividirse en dos grupos principales: los que se refieren a flujo laminar y aquellos que tratan con flujo turbulento.

El movimiento de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, según

diferentes criterios y según sus diferentes características, este puede ser:

FLUJO LAMINAR:Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo

laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado,

estratificado, suave. En

un flujo laminar el

fluido se mueve

en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una

trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de

transporte lateral es exclusivamente molecular. Se puede presentar en las duchas

eléctricas vemos que tienen líneas paralelas.

El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas,

mientras fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser

turbulentos. El número de Reynolds es un parámetro adimensional importante en

las ecuaciones que describen en qué condiciones el flujo será laminar o

turbulento. En el caso de

fluido que se mueve en un

tubo de sección circular, el

flujo persistente será laminar

por debajo de un número de

Reynolds crítico de

aproximadamente 2040.

Para números de Reynolds

más altos el flujo turbulento

puede sostenerse de forma indefinida. Sin embargo, el número de Reynolds que

delimita flujo turbulento y laminar depende de la geometría del sistema y además

la transición de flujo laminar a turbulento es en general sensible a ruido e

imperfecciones en el sistema.

El perfil laminar de velocidades en una tubería tiene forma de una parábola, donde

la velocidad máxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero

en la pared del tubo. En este caso, la pérdida de energía es proporcional a la

velocidad media, mucho menor que en el caso de flujo turbulento.

Un flujo se define como laminar cuando las líneas de flujo permanecen sin juntarse entre sí en toda su longitud, excepción hecha del efecto microscópico de mezcla

molecular.  

El flujo turbulento ocurre cuando la condición anterior no se cumple.       Una línea

de flujo se define como la línea ideal que en cada punto tiene la dirección del flujo

en el instante de que se trate.

 Se sabe que a velocidades bajas un flujo ocurre en forma laminar, mientras que al

aumentar aquellas se llega a un límite en que se transforma en turbulento.          

Reynolds probó que existe una cierta velocidad en cada líquido debajo de la cual,

por un cierto diámetro de conducción y a una temperatura dada, el flujo siempre es

laminar.

            La velocidad crítica del agua puede expresarse de la siguiente manera:

vc =  ____________36_____________       1_

1 + 0.0337 T + 0.00022 T2           D

Donde :

vc = velocidad critica, en cm/seg.

T = temperatura del agua, en °C.

D = Diámetro de la conducción, en cm.

 

 Así la velocidad crítica resulta ser inversamente

proporcional al diámetro de la conducción por la

que ocurre el flujo.

Si una masa de agua fluye con la misma velocidad

en cada punto (flujo uniforme) no habrá perdidas

de energía, pero esta condición nunca existe en

conductos, debido a la resistencia que generan las fronteras, lo cual produce una

distribución de velocidades.      En caso de flujo turbulento, por otra parte, existe

una perdida continua de energía debido a las velocidades diferentes de las

partículas adyacentes de líquido aun cuando la masa fluya a velocidad constante.

Estrictamente hablando, el flujo turbulento es de por sí, no establecido y no

uniforme, ya que existen en él movimientos del conjunto de fluidos. La velocidad

media en un conducto en régimen laminar o turbulento es función de la perdida de

carga hidráulica por unidad de longitud (gradiente hidráulico i).      En el flujo

turbulento la velocidad es aproximadamente proporcional a  / i  y mas exactamente

a  i 4/7 .        En el flujo laminar la velocidad resulta ser proporcional a i ,

simplemente.

Flujo laminar:

La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:

Esta ley establece la relación existente entre el esfuerzo

cortante y la rapidez de deformación angular. La acción de la

viscosidad puede amortiguar cualquier tendencia turbulenta

que pueda ocurrir en el flujo laminar.

Se caracteriza porque el movimiento de las

partículas del fluido se produce siguiendo

trayectorias bastante regulares, separadas

y perfectamente definidas dando la

impresión de que se tratara de láminas o

capas más o menos paralelas entre sí, las

cuales se deslizan suavemente unas sobre

otras, sin que exista mezcla macroscópica

o intercambio transversal entre ellas.

En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o

grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en

flujo turbulento.

FLUJO LAMINAR

FLUJO TURBULENTO:

En mecánica de suelos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al

movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se

mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran

formando pequeños remolinos periódicos, (no coordinados) como por ejemplo el

agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula

se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la

misma es impredecible, más precisamente caótica.

Las primeras explicaciones científicas de

la formación del flujo turbulento

proceden de Andréi Kolmogórov y Lev

D. Landau (teoría de Hopf-Landau).

Aunque la teoría modernamente

aceptada de la turbulencia fue propuesta

en 1974 por David Ruelle y Floris Takens.

Trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden

establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una

porción de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de

movimiento molecular pero a una escala mayor.

En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van desde

muy pequeñas, del orden de unos cuantos millares de moléculas, hasta las muy

grandes, del orden de millares de pies cúbicos en un gran remolino dentro de un

río o en una ráfaga de viento.

Cuando se compara un flujo turbulento con uno que no lo es, en igualdad de

condiciones, se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores

esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía mecánica,

que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad.

La ecuación para el flujo turbulento se puede escribir de una forma análoga a la

ley de Newton de la viscosidad:

Este tipo de flujo es el que mas se presenta en la

practica de ingeniería

En este tipo de flujo las partículas

del fluido se mueven en trayectorias

erráticas,

las partículas del fluido pueden

tener tamaños que van desde muy pequeñas, del orden de unos

cuantos millares de moléculas

Donde:

h : viscosidad aparente, es factor que depende del movimiento del fluido y de su

densidad.

En situaciones reales, tanto la viscosidad como la

turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante:

En donde se necesita recurrir a la experimentación para determinar este tipo de

escurrimiento.

FLUJO TURBULENTO

Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:

La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre

todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona

laminar de flujo y lo vuelve turbulento.

Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en túneles

de viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos túneles

diferentes.

Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos

gruesos, penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia

delante lo "arrancan".

Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del

concepto de entropía, si la superficie de contacto está muy caliente,

transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente

grande se pasará a flujo turbulento.

OTROS TIPOS DE FLUJO:

Flujo incompresible: Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un

punto a otro son despreciables, mientras se examinan puntos dentro del campo de

flujo.

Flujo compresible: Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a

otro no son despreciables.

Flujo permanente: Llamado también flujo estacionario.

Este tipo de flujo se caracteriza porque las condiciones de velocidad de

escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que

permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan

pequeñas con respecto a los valores medios. Así mismo en cualquier punto de un

flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o temperatura con el

tiempo.

Dado al movimiento errático de las partículas de un fluido, siempre existen

pequeñas fluctuaciones en las propiedades de un fluido en un punto, cuando se

tiene flujo turbulento. Para tener en cuenta estas fluctuaciones se debe generalizar

la definición de flujo permanente según el parámetro de interés.

El flujo permanente es más simple de analizar que el no permanente, por la

complejidad que le adiciona el tiempo como variable independiente.

Flujo no permanente: Llamado también flujo no estacionario.

En este tipo de flujo en general las propiedades de un fluido y las características

mecánicas del mismo serán diferentes de un punto a otro dentro de su campo,

además si las características en un punto determinado varían de un instante a otro

se dice que es un flujo no permanente. El flujo puede ser permanente o no, de

acuerdo con el observador.

Flujo uniforme: Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector

velocidad en todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud

como en dirección para un instante dado o expresado matemáticamente:

Flujo no uniforme: Es el caso contrario al flujo uniforme, este tipo de flujo se

encuentra cerca de fronteras sólidas por efecto de la viscosidad

Flujo unidimensional: Es un flujo en el que el vector de velocidad sólo depende

de una variable espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad

transversales a la dirección principal del escurrimiento. Dichos flujos se dan en

tuberías largas y rectas o entre placas paralelas.

Flujo bidimensional: Es un flujo en el que el vector velocidad sólo depende de

dos variables espaciales.

En este tipo de flujo se supone que todas las partículas fluyen sobre planos

paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idénticas si se comparan los

planos entre sí, no existiendo, por tanto, cambio alguno en dirección perpendicular

a los planos.

Flujo tridimensional: El vector velocidad depende de tres coordenadas

espaciales, es el caso más general en que las componentes de la velocidad en

tres direcciones mutuamente perpendiculares son función de las coordenadas

espaciales x, y, z, y del tiempo t.

Este es uno de los flujos más complicados de manejar desde el punto de vista

matemático y sólo se pueden expresar fácilmente aquellos escurrimientos con

fronteras de geometría sencilla.

Flujo rotacional: Es aquel en el cual el campo rot v adquiere en algunos de sus

puntos valores distintos de cero, para cualquier instante.

Flujo irrotacional: Al contrario que el flujo rotacional, este tipo de flujo se

caracteriza porque dentro de un campo de flujo el vector rot v es igual a cero para

cualquier punto e instante.

En el flujo irrotacional se exceptúa la presencia de singularidades vorticosas, las

cuales son causadas por los efectos de viscosidad del fluido en movimiento.

Flujo ideal: Es aquel flujo incompresible y carente de fricción. La hipótesis de un

flujo ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de

fluido, como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino. Un fluido que

no presente fricción resulta no viscoso y los procesos en que se tenga en cuenta

su escurrimiento son reversibles

1.2 LEY DE DARCY Y COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD.

Fue encargado del estudio de la red de abastecimiento de

agua de la ciudad. En 1847, el agua entubada llega a todos

los pisos de todos los edificios de Dijon, transformando así a

esta ciudad en la segunda ciudad europea en lo que se

refiere a abastecimiento de agua, después de Roma.

Se interesó en el diseño de filtros de arena para purificar el

agua.

Henry Darcy (Francia, 1803-1858)

El ingeniero hidráulico Henry P. G.

Darcy (1803-1858) demostró

experimentalmente en 1856 la

Investigación sobre el flujo de fluidos en medios porosos

Esbozo del sistema experimental de Darcy

existencia de una relación lineal entre el gasto Q, que pasa a través de una

muestra de suelo de sección transversal A, y el gradiente hidráulico, i.

La ley de Darcy (1856) para un medio poroso, homogéneo, isotrópico y saturado

se expresa como:

 La constante k se conoce como coeficiente de permeabilidad (también referido

como conductividad hidráulica) del suelo, y tiene unidades de velocidad (cm/s).

Es conveniente aclarar que por convención se emplea el área A de la sección

transversal. Sin embargo, en realidad el área en donde ocurre el flujo es el área de

vacíos de la sección transversal de la muestra. Por tanto, la velocidad real de flujo

del agua a través del suelo (vs) se calcula mediante la expresión:

 vs = v / n

Q = k A i = k A (Δh / L)

La ley de Darcy se obtuvo para arenas limpias, pero, se ha demostrado que es

válida para la mayoría de los suelos. La tabla  muestra algunos valores comunes

de k.

Tabla. Valores del

coeficiente de

permeabilidad de algunos

suelos

El flujo de agua a través de medios porosos, de gran interés en la Mecánica de

Suelos, está gobernado por una ley descubierta experimentalmente por Henri

Darcy en 1856.       Este investigo las características del flujo del agua a través de

filtros, formados precisamente por materiales térreos, lo cual es particularmente

afortunado para la aplicación de los resultados de la investigación de la Mecánica

de Suelos.    Para las velocidades suficientemente pequeñas, el gasto queda

expresado por:

 

Q = ___dV___ = kAi (cm3 /seg)

dt

Normalmente el agua ocupa la mayor parte o la totalidad de los vacíos del suelo.

Cuando se somete a diferencias de potenciales, esa agua se traslada al interior

del suelo.

El estudio de la permeabilidad del suelo es fundamental en diversos problemas de

ingeniería de suelos, como drenaje, rebaje de nivel del agua, recalques, represas,

pavimentos, entre otros.

Coeficiente de permeabilidad.La determinación del coeficiente de permeabilidad está directamente asociado a la

Ley de Darcy, que establece la directa proporcionalidad entre los diversos factores

geométricos y el flujo del agua.

Siendo:

Q – Flujo

A – Área de permeado

K–Una constante para cada suelo, que recibe el nombre de coeficiente de

permeabilidad.

La relación h (carga que disipa en la filtración) por L (distancia a lo largode la cual

la carga se disipa) se llama gradiente hidráulico, expresado por la letra i.

La propiedad que el suelo presenta al

permitir que el agua escurra a través

de el se llama permeabilidad y su

grado se expresa a través del

coeficiente de permeabilidad (k)

De esta forma, la ley de Darcy asume el formato:

El flujo dividido por el área indica la velocidad con que el agua sale del suelo. Esta

velocidad, v, se llama velocidad de descarga.

Esto porque, usualmente es utilizada el área total

“A” de a sección transversal de la muestra del suelo, al inverso de utilizar al área

real Av de sus vacíos.

En tanto, la velocidad real de percolación Vp puede ser determinada a través de

las siguientes relaciones

El concepto de flujo se tiene:

Donde:

V indica velocidad.

Del concepto de volumen, se tiene:

Donde:

V indica volumen.

Determinación del coeficiente de permeabilidad (k)

El coeficiente de permeabilidad de un suelo puede ser obtenido por medio de

métodos directos e indirectos. Los métodos directos se basan en ensayos de

laboratorio sobre muestras o en ensayos de campo.

Los métodos indirectos utilizan correlaciones entre características del suelo.

Métodos DirectosLos métodos directos constituyen los permea miento que miden la permeabilidad

de los suelos en laboratorio y el ensayo de bombeo realizado in-situ y mayormente

utilizado para determinar la permeabilidad de macizos rocosos.

Permeamiento de Carga Constante

Ese tipo de permeamiento es utilizado en la determinación del coeficiente de

permeabilidad de suelos de granos gruesos. Esa determinación es realizada

midiéndose la cantidad de agua que atraviesa la muestra de suelo con la altura de

carga (h) constante en un

determinado intervalo de tiempo (t),

siendo A el área de la sección

transversal de la muestra y L su

altura (longitud a lo largo de la cual

la carga h es disipada). El agua que

atraviesa la muestra se recoge en

un recipiente para luego ser medida.

Permeamiento de Carga Variable

Se utiliza para determinar el coeficiente de permeabilidad de suelos finos. En

estos suelos, el intervalo de tiempo necesario para que se filtre una cantidad

apreciable de agua es bastante extenso.

El volumen de agua, en virtud de una variación diferencial de nivel “dh” será:

El signo negativo es debido al hecho de que la

variación sea una disminución.

Por la ley de Darcy:

Siendo así,

Integrando entre (h1, t1) y (h2, t2), se obtiene que:

En la práctica se anota el tiempo necesario para que el nivel de agua

vaya, en el tubo de área “a” desde h1 hasta h2 y se sustituyen todos

los datos en la fórmula anterior, encontrando el valor del coeficiente de

permeabilidad.

1.3 MÉTODOS PARA MEDIR EL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS.

El coeficiente de permeabilidad de un suelo es un dato cuya determinación

correcta es de fundamental importancia para la formación del criterio del

proyectista en algunos problemas de Mecánica de Suelos y, en muchos casos,

para la elaboración de sus cálculos.

          

  Hay varios procedimientos para la determinación de la permeabilidad de los

suelos: unos “directos”, así llamados porque se basan en pruebas cuyo objetivo

fundamental es la medición de tal coeficiente; otros “indirectos”, proporcionados,

en forma secundaria, por pruebas y técnicas que primariamente persiguen otros

fines.     Estos métodos son los siguientes:

 

Directos:

1. Permeámetro de carga constante

2. Permeámetro de carga variable

3. Prueba directa de los suelos en el lugar

Indirectos:

4. Calculo a partir de la curva granulométrica

5. Calculo a partir de la prueba de consolidación

6. Calculo con la prueba horizontal de capilaridad

 

El valor del coeficiente de permeabilidad se ha puesto en la escala logarítmica,

debido a que el intervalo  completo de valores que se maneja en Mecánica de

Suelos oscila entre 10+2   y  10–9 cm / seg.

 

Método a partir de la curva granulométrica

En suelos arenosos gruesos, los poros entre las partículas minerales son

relativamente grandes y por ello la permeabilidad resulta comparativamente alta;

en suelos de menores tamaños, los poros y canalículos entre los granos son más

pequeños, por lo cual estos materiales son de menor permeabilidad; otros factores

aparte del tamaño, ejercen notoria influencia en el valor del coeficiente en estudio;

estos factores se han resistido, hasta hoy, a ser introducidos en una fórmula única,

por lo que no hay ninguna que los tome en cuenta de un modo aceptable.           

Prácticamente todos los métodos del tipo en estudio siguen la formula clásica de

Allen Hazen (1892):

 

 

en donde k es el coeficiente de permeabilidad buscado (en cm/seg) y D10  (cm).

Hazen obtuvo la formula experimentando con arenas uniformes con diámetro

efectivo comprendido entre 0.1 y 3 mm; en estos suelos C varió entre 41 y 146.   

El valor C = 116  suele mencionarse como un promedio aceptable de las

experiencias efectuadas por Hazen.

La temperatura influye, según se verá, en el valor de la permeabilidad, por alterar

la viscosidad del agua.   Tomando en cuenta ese factor la formula puede

modificarse de la siguiente manera:

 

siendo t la temperatura en °C.

 

Schlichter tomo en cuenta además de la temperatura, la compacidad en la

siguiente expresión:

k = CD210 (cm/seg)

k = C (0.7 +0.03 t) D210  (cm / seg. )

k =  771  (D210  / c ) (0.7+0.03 t) (cm/ seg. )

 

 

c es una función de n que corresponde a los valores:

 

 

Terzaghi da, para suelos arenosos, la expresión:

 

Donde:

 

 

En donde n es la porosidad y Co un coeficiente con los valores indicados:

Arenas de granos redondeados

Co = 800

Arenas de granos angulosos Co = 460

Arenas con limos Co < 400

 

Todas las formulas anteriores suponen que el coeficiente de permeabilidad es

directamente proporcional al cuadrado del diámetro efectivo; sin embargo, esta

afirmación se ha revelado como discutible, sobre todo en cierto tipo de suelos.

 

Permeámetro de carga Constante

k = C1 D210 (0.7 + 0.03 t) (cm /seg. )

C1 = C0  (n-0.13/ 3/1-n )2

n =0.26 0.38 0.46c = 83.4 24.1 12.8

Una muestra de suelo de área transversal A y longitud L, confinada en un tubo, se

somete a una carga hidráulica h.         El agua fluye a través de la muestra,

midiéndose la cantidad (en cm3) que pasa en el tiempo t.        Aplicando la ley de

Darcy:

 

V = K A I T                                            

V ES LA MENCIONADA CANTIDAD DE AGUA.

 

El gradiente hidráulico medio vale:

 

i = h /L                                               entonces :                   k = VL / h A t             

 

El inconveniente del parámetro es que, en suelos poco permeables, el tipo de

prueba se hace tan largo que deja de ser práctico, usando gradientes hidráulicos

razonables.

Permeámetro de carga variable.

En este tipo de Permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa una

muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador.

Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del Permeámetro,

observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra.

Considerando un tiempo dt, la cantidad de agua (cm3) que atraviesa la muestra

será, según la ley de Darcy:

Al mismo tiempo, en el tubo vertical, el agua habrá tenido un descenso dh y el

volumen del agua que atravesó la muestra en el tiempo dt podrá expresarse:dV  = k A i t = k A ( h / L ) dt

dV  =  -adh

Con el Permeámetro es fácil llegar a ala expresión:

K = 2.3 L /t log h1 / h2

Cuando la caída  de carga hidráulica sea pequeña en comparación con la carga

media usada en la prueba, podrá usarse para el Permeámetro de carga variable,

la fórmula:

h = h1 +   h 2

2

Considerando que tal carga obro durante todo el tiempo t, de la prueba.

Los permeámetros y concretamente el de carga variable, pueden usarse solo en

suelos relativamente permeables, generalmente arenas y arcillas se determina en

laboratorio con la prueba de consolidación.           La razón es que la baja

permeabilidad de las arcillas daría lugar a tiempos de prueba tan largos que la

evaporación y los cambios de temperatura producirían errores de mucha

consideración.

 Cuando se use un Permeámetro en el que el agua fluya hacia abajo a través del

suelo, debe tenerse especial cuidado en impedir la formación de una anata limosa

sobre la superficie de la muestra.

El realizar la prueba de permeabilidad en muestras inalteradas no solo es

importante en arcillas, sino también en suelos arenosos y limosos poco o nada

plásticos.            Estos suelos están, con frecuencia, notoriamente estratificados y,

por lo tanto, la realización de la prueba en muestras alteradas dará una idea

totalmente errónea de la permeabilidad del suelo natural.

           

Es conveniente que las muestras que se usen en pruebas de permeabilidad sean

pequeñas, pues ello presenta varias ventajas de orden práctico.

1. Pueden ejecutarse más pruebas en menor lapso de tiempo.  Esto permite,

también realizar una verificación de la aproximación general obtenida, lo

cual es difícil de precisar en una sola prueba con muestra grande.

2. Las muestras grandes se rompen con mucha frecuencia en las

manipulaciones; por lo contrario, las pequeñas son menos deleznables y

quebradizas, pues aun por presión capilar, una arena tiene características

favorables.

 

El uso de muestras inalteradas presenta la dificultad adicional de cerrar el espacio

entre la muestra y el cilindro que lucita confinante, de tal manera que sea

prácticamente impermeable en relación con la permeabilidad de la muestra.

Cuanto menor sea la permeabilidad del suelo, el error resulta mayor.    Otro

material que se ha usado para sellar el espacio entre el suelo y el cilindro de lucita

ha sido la gelatina, con una adición de una cantidad suficiente de formaldehído

para impedir su expansión excesiva.

Probablemente el sello más eficaz es la base del gel bentónico, colocado según la

muestra esquemáticamente.            La muestra se coloca entonces en el interior

de un cilindro, colocado a su vez sobre una placa de vidrio húmedo y se llena el

espacio anular con parafina derretida hasta una altura de 0.5 cm, dejándose

enfriar; este anillo de parafina proporciona sostén a la muestra durante la siguiente

operación en la cual el resto del espacio anular se llena de gel bentónico,

inyectándolo con un tubito de vidrio unido a un bulbo de hule que contiene el gel.

Por último, todo el anillo y la muestra se protegen con una capa de arena de

Ottawa estándar, y se retira la placa de vidrio, quitando la parafina que se halla

pegado a la cara inferior de la muestra; el lugar de la placa de vidrio lo ocupa una

malla de bronce o latón, que mantiene la muestra en posición.

 

Las dimensiones de los permeámetros pueden escogerse entre límites muy

amplios, dependiendo del tamaño y carácter de las muestras escogidas y

disponibles.      En el caso de materias muy impermeables (arcillas), ya se dijo que

el permeámetro de carga variable, tal como se ha descrito, no resulta útil por ser

los tiempos de prueba   exageradamente dilatados de manera que las pérdidas

por evaporación se tornan importantes.

La solución más usada para este requerimiento ha consistido en habilitar el

consolidómetro de anillo fijo como permeámetro de carga variable, anexándole un

dispositivo para dar presión al agua.      El agua penetra por la cara inferior de la

muestra a través de una piedra porosa y fluye hacia arriba, a través de ella,

saliendo por otra piedra porosa en la cara superior.

La prueba se efectúa esencialmente en la misma forma que la de carga variable

ya vista.      Sin embargo, como en esta prueba la carga media que produce el flujo

es muy grande en comparación a la caída de carga del principio al fin de la

prueba, se justifica el considerar que la carga media es la que ha actuado.

Pudiéndose calcular el coeficiente de permeabilidad con la siguiente

ecuación tomando como carga:

h1 + h2  +     p

2          rw

En donde p es la presión comunicada por el aire.

Prueba Horizontal de Capilaridad

La rapidez con que se eleva el agua, por acción capilar, en un suelo, es la medida

indirecta de la permeabilidad de este.            El método de Terzaghi sirvió de

antecedente para una prueba más adecuada, conocida hoy como prueba

horizontal de capilaridad.

El método de Terzaghi consiste en colocar una muestra de suelo en un tubo

vertical transparente, detenida por una malla apropiada colocada en el extremo

inferior de aquel.

El tubo se fija de tal modo que su base quede justamente bajo el nivel del

agua.          Se hacen observaciones del progreso de la superficie de avance

ascendente del agua a partir del instante en que comenzó el experimento.   Si se

preparan varias curvas maestras para suelos de permeabilidad conocidas, la

permeabilidad de cualquier otro suelo puede estimarse observando la posición

relativa de la curva correspondiente en la carta de las curvas preparadas.

Aunque el procedimiento empírico es simple, al análisis teórico del método es

laborioso y cuando se le fundamenta en la hipótesis de “tubos” de igual diámetro,

no concuerda con los resultados experimentales.

La prueba horizontal de capilaridad constituye una modificación del método

anterior.   En efecto, si la muestra de suelo se coloca en posición horizontal, se

encuentra que el análisis teórico de la prueba es sencillo, concordante con la

experiencia y además conduce al uso de curvas parabólicas de manejo simple.

La distancia x recorrida, en el tiempo t, por el agua en el interior del espécimen,

resulta ser directamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo.

x2 = m t

m es una constante del suelo relacionada con el coeficiente de permeabilidad en

la forma

m2 = Z’ k

Donde Z’ es un valor prácticamente constante para un tipo de suelo dado, que

puede determinarse por medio de unas cuantas pruebas de calibración.

Conociendo Z’ del tipo de suelo con que se trabaje (por ejemplo, de un cierto

banco de préstamo que se vaya a usar en la construcción de una presa de tierra,

cuyas características generales no varían mucho).

Al hacer las mediciones de los datos de una prueba horizontal de permeabilidad

es conveniente medir la distancia x que el frente del agua a recorrido a través de

la muestra, en centímetros y el tiempo correspondiente, en minutos e introducir

una constante adicional, de tal manera que el coeficiente de permeabilidad k

quede expresado automáticamente por una cantidad multiplicada por 10-4 cm /seg.

Donde m representa el cuadrado de la distancia x, en centímetros que, el agua

recorre en el primer minuto, valor extrapolado de una serie de observaciones que

se dibujan.

En general se ha observado que Z varía entre 10 y 50, obteniéndose para el caso

de arenas medias limosas, secadas al horno, un valor de orden de 20.

Las pruebas horizontales de capilaridad son útiles como pruebas rápidas de

campo, para la clasificación de materiales de bancos de préstamos respecto a su

permeabilidad, especialmente en la construcción de presas de tierra.

El intervalo de permeabilidad de los suelos en que este método es mas

aconsejable oscila entre 0.1 * 10-4 y 200 * 10-4.

Se puede extender un poco el intervalo recomendable para la prueba, usando un

tubo de vidrio de 2.0 cm de diámetro y aun menor y sumergiendo la muestra de tal

manera que el agua apenas cubra el tubo.

Cuando la carga no puede despreciarse en relación a la altura capilar (hc), el

avance del agua es función tanto de la diferencia de presiones a ambos lados de

los meniscos formados.          En un tubo de vidrio húmedo, el menisco

aparentemente esta siempre completamente desarrollado, aunque la carga

hidráulica sea mayor que la altura de ascensión capilar; en un tubo perfectamente

seco el menisco es menos curvo que el que se forma cuando el agua no se mueve

a lo largo del tubo.

K =  m2    10-4   (cm / seg)

Z

Si la relación obtenida de la observación, x2 – t se dibuja en escalas logarítmicas,

se tienen ciertas ventajas en la determinación de los resultados de la prueba, pues

las ecuaciones que se manejan quedan representadas por rectas a 45° en ese

caso, por lo cual un solo punto observado es suficiente para trazar esas rectas,

leyendo el valor de m directamente en la intersección de la línea con el eje t =1

min.       Algunas veces sucede que los puntos van cayendo perfectamente sobre

una  recta a 45°, pero que la línea brinca bruscamente una distancia corta, como

indican las líneas  B, B’, y B’’, que aparentemente deberían estar en prolongación.

Otra ventaja del trazo logarítmico es que los resultados de pruebas hechas en

Mat.  de permeabilidad bastante diferente, pueden disponerse cómodamente en

una sola gráfica, mientras que en el trazo aritmético, se requerirían varias gráficas

con distintas escalas.

Usando una constante Z =20 los resultados de las pruebas representadas por las

líneas A y B que corresponden a los coeficientes de permeabilidad siguientes:

Curva A

m = 20 ;   Z = 20

k =     m2       10-4   cm      = 20 * 10-4    cm

Z               seg                      seg

Curva B

m = 4.5 ;    Z = 20

k = 1.01 * 10-4    cm

seg

Si la sección permeable de una presa de tierra a de estar formada, por ejemplo, de

material con k > 20 * 10-4 cm / seg y el corazón impermeable de un material con k

< 10-4 cm / seg, con la zona de transición constituida por material de permeabilidad

intermedia, entonces con la ubicación de unos cuantos puntos de una prueba

horizontal de capilaridad será posible una decisión inmediata sobre donde colocar

un material proveniente de una zona particular del banco de préstamo.

1.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS.

La permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes tanto al suelo

como a características del fluido circulante. Los principales son:

Las fuerzas de superficie.

La porosidad.

La tortuosidad de los vacíos del suelo.

La relación de vacíos del suelo.

La temperatura del fluido y suelo.

La viscosidad del fluido en movimiento.

La estructuración del suelo.

La humedad del suelo.

Las fuerzas de superficie de los granos determinan principalmente la fuerza de

atracción entre las moléculas del fluido y las partículas de suelo; este fenómeno

determina en gran medida la velocidad de humectación de un suelo, la porosidad y

la relación de vacíos, que son los principales parámetros con los que se ha

relacionado el valor de la permeabilidad en las expresiones existentes para su

determinación. Se piensa que la cantidad de vacíos que tenga un suelo

determinara en gran parte el valor de su permeabilidad, sin embargo, la

tortuosidad de los canales es un elemento importante, ya que un fluido circula con

mayor rapidez por un canal uniforme que por uno que presente una alta

tortuosidad, a pesar de que su tamaño o vacíos sean los mismos. Las

características del fluido también influyen sobre el valor de la permeabilidad, por

ejemplo: la permeabilidad que puede tener una sosa liquida con respecto al agua

destilada, dista de ser igual, en este caso la viscosidad de la sosa determina en

gran medida su comportamiento en el suelo, haciendo mas lenta su forma de fluir.

La temperatura del fluido se relaciona directamente con su viscosidad. La

permeabilidad también puede variar por la estructuración del suelo; la

estratificación ocasiona que los valores de su permeabilidad sean diferentes en

cada estrato, incluso si se trata del mismo suelo con diferente grado de

compactación o humedad, la permeabilidad seguramente será diferente.

RELACIÓN DE VACIOS:

Cuando un suelo es comprimido o vibrado, el volumen ocupado por sus elementos

solidos permanece invariable, mientras que el volumen ocupado por sus vacíos

disminuye, por lo tanto la permeabilidad del suelo también disminuye.

Existen expresiones que permiten relacionar el coeficiente de permeabilidad con la

relación de vacios, pero se deben adoptar ciertas hipótesis cuyo carácter permita

que las conclusiones del análisis den información cuantitativa correcta.

Casagrande propone La siguiente ecuación para el coeficiente de permeabilidad

K:

TEMPERATURA DEL AGUA:

De un analisis teorico surge que el valor del coeficiente de permeabilidad del suelo es proporcional a la viscosidad cinematica del agua, expresado mediante la relación.

Donde:

Representa la viscosidad dinematica del agua, n la viscosidad del agua, g la aceleracion de la gravedad y el peso especifico del agua.

El valor del coeficiente de permeabilidad obtenido mediante ensayos, depende de la temperatura a la que fueron realizados, normalmente se los suele refererir a una temperatura T=20°C, para los cuales se tiene:

Donde el t ha<ce referencia a los resultados de la prueba. La relaci{on planteada anteriormente es válida para arenas y presenta pequeñas desviaciones para arcillas.

ESTRUCTURA Y ESTRATIFICACIÓN:

El coeficiente de permeabilidad de un suelo inalterado es distinto al del mismo suelo remoldeado; cambia su estrctura y estratificaci{on. En el reacomoda, obstruyendo canales. En otras ocasiones son arrastradas al exterior, con lo cual el valor del coeficiente de permeabilidad varia durante la realizacion del ensayo, esto ocurre en general en suelos con valores de coeficiente de permeabilidad K entre 10−5 y 10−3 Cm/Seg.

En particular, si una arcilla es amasada a contenido de humedad constante, su valor de K disminuye con respecto a su valor original a K, (coefic iente de permeabilidad remoldeado). Para la mayoria de las arcillas inorgánicas, la relacón K/K r no es mayor de 2. Para arcillas organicas y algunas margas con estructura de conglomerado dicha relacion puede llegar a valores de 30.

Desde tenerse en cuenta además, que los coeficientes de permeabilidad horazontal y vertical difieren la mayor parte de las veces y a su vez los valores en sentido horizontal pueden ser diferentes si el suelo presenta estratificación.

AGUJEROS Y FISURAS:

CONCLUSION

BIBLIOGRAFIA

http://geolabs.com.mx/blog/trabajo/propiedades-hidraulicas-del-suelo/

https://ingenieroangelarevalo.wordpress.com/2015/04/09/propiedades-hidraulicas-del-suelo/

http://es.slideshare.net/freddyramirofloresvega/propiedades-hidraulicas-de-suelos

http://imt.mx/archivos/Publicaciones/PublicacionTecnica/pt195.pdf

http://www.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Permeabilidad%20en%20Suelos.pdf

http://es.slideshare.net/freddyramirofloresvega/13permeabilidad-en-suelos