Permeabilidad

ÍNDICE

1.1 INTRODUCCIÓN TEORICA………………….…....................................................................................................2

1.2 SIGNIFICADO DE LAS PROPIEDADES HIDRAULICAS Y MECANICAS DEL SUELO…………………..3

Capilaridad y tensión superficial……………………………………………………………………….……………..3

Capilaridad y contracción en suelos arcillosos………………………………………………………………………4

Contracción y expansión de arcillas…………………………………………………………………………………..5

El agua en los suelos………………………………………………………………………………………………….5

Propiedades del agua y del suelo………………………………………………………………………………….….8

Principios fundamentales del movimiento de un flujo no compresible…………………………………………..….9

Presión de poros……………………………………………………………………………………………………..10

1.3 FLUJO DEL AGUA EN LOS SUELOS……………………………………………………………………………10

Flujo de agua en los suelos………………………………………………………………...………………………...10

Flujo descendente, ascendente y bidimensional……………………………………………………………………..10

Suelo anisotrópico y heterogéneo…………………………………………………………………………………...12

Redes flujo………………………………..…………………………………………………………………………12

1.4 PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS.

Permeabilidad de los suelos……………………………………………………………………………..….……….13

Ley de Darcy……………………………………..……………………………………………………………….…14

Gradiente hidráulico, velocidad de descarga, velocidad de filtración y velocidad real………..….………………...15

Factores que influyen en la permeabilidad……………………………………………………………………….….17

Correspondencia entre la relación de vacíos y la permeabilidad………………………………………………..…..19

Ensayos de permeabilidad…………………………………………………………………………………..……….20

La permeabilidad de las masas estratificadas de suelos……………………………………………………..………24

1.5 CONCLUSIÓN………….…………….………………………………………………………………….………….27

Anexos:

PROBLEMAS………………….…………………………………………………………….…………….………..…..25

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………….…………..……28

1.1 INTRODUCCIÓN TEORICA

El flujo de agua a través de medios porosos, de gran interés en la mecánica de suelos, esta gobernado por una ley descubierta experimentalmente por Henri Darcy en 1856. Darcy investigó las características del flujo de agua a través de filtros, formados precisamente por materiales térreos, lo cual es particularmente afortunado para la aplicación de los resultados de la investigación a la mecánica de suelos.

Hace solo 60 años los proyectos de presas y de estructuras de retención de agua hechas con suelos se basaban casi exclusivamente en reglas empíricas que los constructores se transmitían por tradición oral. Se adoptaban las obras que habían resistido satisfactoriamente los estragos a causa del tiempo y de las aguas, independientemente de la naturaleza de los materiales y de las características del terreno de cimentación. Con el nacimiento de la mecánica de suelos y el conocimiento de los materiales, que con esta se adquirió, ha sido posible analizar bajo un nuevo fulgor el comportamiento de las presas y de las estructuras de retención.

Como se dijo con anterioridad fue el francés Henry Darcy quien estableció las bases para un estudio racional de los problemas prácticos acerca de la infiltración del agua a través de los suelos. Darcy estudió en forma experimental el flujo del agua a través de un medio poroso y estableció la ley que se conoce con el nombre de ley de Darcy. Dicha ley se basa en las siguientes hipótesis, que condicionan su validez:

• Medio continuo, es decir que los poros vacíos estén intercomunicados.

• Medio isótropo.

• Medio homogéneo.

• Flujo del agua en régimen laminar.

Darcy demostró que el caudal Q es proporcional a la pérdida de carga e inversamente proporcional a la longitud del lecho de arena y proporcional al área de la sección y a un coeficiente que depende de las características del material.

Gracias a la aportación de este personaje y a la de muchos más, podemos tener un amplio conocimiento sobre el movimiento del agua y su comportamiento.

Q=dV/dt=kAi

donde:

A: área total de la sección transversal.

i: gradiente hidráulico de flujo.

El agua es la fuente directa de humedad para la vegetación y, por lo tanto, es fundamental para la producción de alimentos y la ecología del planeta. El agua evaporada o transpirada desde esta región no saturada suministra una gran porción de la humedad atmosférica, tan importante para el clima y la meteorología. El agua en la zona no saturada también controla la cantidad de precipitación que entrará al suelo o permanecerá en la superficie. La trayectoria tomada por la precipitación determinará la naturaleza de los procesos hidrológicos dominantes en la región. La transferencia de agua de la atmósfera al suelo se denomina infiltración.

Entonces, a medida que una matriz de tierra y roca se seca, la interconectividad entre los poros se vuelve irregular y discontinúa, ya que el aire sustituye al agua en muchas posiciones y dificulta la fluidez en sus partículas.

En la siguiente investigación se presentan una amplia gama de conceptos relativos con el tema: “el flujo de agua a través de medios porosos en la Mecánica de Suelos”, explicando y desarrollando la información necesaria para entender el comportamiento de dicho fluido en un material y que, en un área ingenieril, resulta ser un factor decisivo.

1.2 SIGNIFICADO DE LAS PROPIEDADES HIDRAULICAS Y MECANICAS DEL SUELO.

1.2.1 Capilaridad y tensión superficial.

Tensión superficial.

En la interface “líquido – gas” las moléculas de la superficie soportan fuerzas de tensión, que es la propiedad de un líquido conocida como tensión superficial. Por ella, una masa de agua, acomodándose al área mínima forma gotas esféricas. La tensión superficial explica “el rebote de una piedra” lanzada al agua. La tensión superficial se expresa con T y se define como la fuerza en Newtons por milímetro cuadrado de superficie, que el agua es capaz de soportar.

El valor de la tensión es de 73 dinas/cm ≈ 0,074 gf/cm siendo gf, gramos-fuerza. El coeficiente de tensión superficial se mide en unidades de trabajo (W) o energía entre unidades de área A y representa la fuerza por unidad de longitud en cualquier línea sobre la superficie. T es entonces, el trabajo W necesario para aumentar el área A de una superficie líquida.

T_s=□(24&dW)/dA

Capilaridad.

Un fenómeno que se da debido a la tensión superficial es la capilaridad. En virtud de la tensión superficial un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro y por entre láminas muy próximas. Pero no siempre ocurre así, debido a que la atracción entre moléculas iguales (cohesión) y moléculas diferentes (adhesión) son fuerzas que dependen de las sustancias (Figura 6.1). Así, el menisco será cóncavo, plano o convexo, dependiendo de la acción combinada de las fuerzas de adherencia A y de cohesión C, que definen el ángulo a de contacto en la vecindad, y de la gravedad.

Ascención capilar.

Sean: h_c = altura capilar de ascenso del agua, en un tubo de estrecho radio R, parcialmente sumergido. a = el ángulo del menisco con el tubo capilar. T_s = tensión superficial dentro del tubo capilar. El agua asciende contra la presión en los poros Uω, a la que se suma la presión atmosférica sobre toda la superficie del fluido. Pa = presión atmosférica (el aire pesa), la cual se compensa.

Haciendo suma de fuerzas verticales ∑▒F_v =0; para Pa = 0:

2πR * T_s cosα + 〖U 〗_ω* πR2 = 0 =∑▒F_v ;

despejando la presión de poros, que es Uw,

Uω= (-2T_s cosα)/R= (-4T_s cosα)/D

Pero U_ω=〖-h〗_c γ_ω, por ser el peso de una columna de agua de altura h, obteniéndose al despejar h_c:

h_c= (2T_s cosα)/(γ_ω R)

Formula que da la altura a que debe ascender el agua en un capilar de diámetro D, suponiendo que el menisco formado es esférico, lo cual resulta razonablemente aproximado para fines prácticos.

En el caso del contacto

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