Propiedades hidráulicas de los suelos

Universidad Autónoma de[pic 1][pic 2]

Campeche

Facultad de Ingeniería

Ingeniería civil y administración

Tarea 1. Tema: Propiedades Hidráulicas de los Suelos.

Geotécnica

Alumno: Jairo Chable Garma

Matrícula: 59304

Catedrático: Ing. Noe Alberto Montalvo Chi

Tercer semestre    Grupo “A”

21 de noviembre del 2021

Introducción

En el estudio de las propiedades hidráulicas del suelo, nos referiremos al movimiento del agua libre entre las partículas, cuya magnitud depende de la permeabilidad del material. Se define un material permeable como aquel que tiene vacíos continuos. Siguiendo este concepto, todos los suelos y materiales constructivos, excluyendo los metálicos, son permeables. La circulación de agua importancia en facilidad o dificultad con que se realizan muchas operaciones de construcción y, por consiguiente, influye decisivamente en el costo.

Los suelos y las rocas no son sólidos ideales, sino que forman sistemas con 2 o 2 fases: partículas sólidas y líquido, o bien, partículas sólidas, gas y líquido. El líquido es normalmente agua y el gas se manifiesta a través de vapor de agua. Por lo tanto se habla de medios “porosos”. A esto se los caracteriza a través de su porosidad y a su vez esta propiedad condiciona la permeabilidad.

Se dice que un material es permeable cuando contiene vacíos continuos, estos vacíos existen en todos los sueños, incluyendo las arcillas mas compactas, y en todos los suelos, incluyendo las arcillas mas compactas, y en todos los materiales de construcción no metálicos, incluido el granito sano y la pasta de cemento, por lo tanto dichos materiales son permeables. La circulación del agua a través de la masa de estos obedece aproximadamente a leyes idénticas, de modo que la diferencia entre una arena limpia y un granito es, en este concepto, solo una diferencia de magnitud

Las propiedades hidráulicas de los suelos son muy variadas, entre ellas está la permeabilidad de los suelos, la cual es un tema muy importante para desarrollar y llegar así a todos los lineamientos necesarios para el cálculo de drenajes o de diferentes resistencias del suelo. En la permeabilidad más baja, las partículas de arcilla tienden a permanecer juntas y, cuando se mojan, en realidad se expanden y cimientan juntas. Esto hace que sea un excelente material para la fabricación de cerámica, pero no es buena para la siembra. Los suelos de arcilla obstruirán y evitarán el flujo de exceso de agua hacia abajo al centro de la Tierra.

Propiedades hidráulicas de los suelos: Agua en el suelo

Para empezar podemos decir que el suelo es un material con arreglo variable de sus partículas que dejan entre ellas una serie de poros conectados unos con otros para formar una compleja red de canales de diferentes magnitudes que se comunican con fisuras y grietas, donde parte del agua que cae sobre el suelo se escurre y parte se infiltra por acción de la gravedad hasta estratos impermeables mas profundos, conocidos como la capa freática. El limite superior de este manto acuoso se llama nivel freático.[pic 3]

La atracción de las moléculas de agua por las de aire es menor que las fuerzas de cohesión de las moléculas de agua. El efecto neto es una fuerza (tensión superficial) en la superficie del agua que hace que esta se comporte como una membrana elástica. La interacción de las fuerzas de adhesión-cohesión es la responsable de la formación de gotas, los meniscos, el ascenso de agua en conductos capilares. Así, el comportamiento adsorbente de un sólido con respecto al agua está definido por su ángulo de contacto o forma del menisco

• Cohesión y adhesión. Cohesión es la atracción de las moléculas de agua entre sí. En contraste, la adhesión es la atracción de las moléculas de agua por las moléculas de otras sustancias en la interfase agua-sólido o agua-aire.

Tipos de agua en el suelo. El agua que pasa por los poros a través del suelo se le conoce con el nombre de agua gravitacional, y aquella que se encuentra por debajo del nivel freático se llama agua freática. El agua retenida surge en caso de que quede suspendido el movimiento del agua gravitacional a través del suelo, esta parte del agua queda retenida en los poros y sobre la superficie de las partículas debido a las fuerzas de tensión superficial y adsorción

• Agua gravitacional es la que influye poderosamente tanto la porosidad del suelo como sus características estructurales; sin embargo, al movimiento de esta agua no se puede aplicar la ley de Darcy debido a la presencia de aire en los poros.

• Agua retenida es el agua químicamente combinada, desde el punto de vista del ingeniero, se considera como parte integrante de los solidos del suelo, ya que forma parte de la estructura cristalina de los minerales mismos y es una cantidad muy pequeña. Solo se puede secar a una temperatura de 110°C.

• El agua adherida o higroscópica es aquella que adquiere el suelo del aire que lo rodea. Si un suelo es secado en un horno a peso constante y se deja expuesto al aire mientras se enfría, dicho suelo absorberá agua de la humedad del aire.

• El agua de capilaridad es aquella que se adhiere en los poros del suelo por efecto de la tensión superficial.

Flujo laminar y turbulento

El flujo del agua en general hace referencia al movimiento de las partículas de lagua, cuando se habla solamente de flujo de agua no importa las condiciones del movimiento de estas partículas, esto quiere decir que las partículas se pueden mover en cualquier dirección, cualquier sentido, y con cualquier velocidad, en fin, se puede decir que el flujo del agua se refiere a cualquier movimiento ya sea mínimo de sus partículas. Tipos de flujo de agua:

• Laminar. Las partículas de agua se mueven con trayectorias paralelas entre sí.

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• Turbulento. La trayectoria de las partículas se mueve en forma irregular y se cruzan unos con otras.

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Cuando la velocidad de un fluido cualquiera es relativamente baja, se trata de un flujo laminar, a medida que la velocidad aumenta, llega un momento en el que este flujo se transforma en turbulento; y, por el contrario, si la velocidad disminuye una vez establecido el flujo turbulento, la velocidad a la que se convierte en flujo laminar no es la misma que tenía en el momento que el flujo cambio de laminar a turbulento. Sin embargo, existe una velocidad   específica   debajo   de   la cual el flujo siempre será laminar, a esta velocidad se le denomina “velocidad critica”.

El valor de la velocidad critica de un fluido cualquiera puede determinarse por el “número de Reynolds” (Re) expresado en términos de las fuerzas de inercia y de viscosidad. Para el caso de un fluido circulando por un tubo, este número queda definido por la siguiente relación general

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Capilaridad y tensión superficial

Tensión superficial

Es la propiedad de un líquido en la interfaz líquido y gas, por la cual las moléculas de la superficie soportan fuerzas de tensión. 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 de longitud de superficie, que el agua es capaz de soportar. [pic 7]

Capilaridad

Fenómeno debido a la tensión superficial, en virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro o 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

Influencia del grado de saturación

La filtración del agua no remueve todo el aire existente en un suelo no saturado. Permanecen burbujas de aire, contenidas por la tensión superficial del agua. Estas burbujas   de   aire   constituyen   obstáculos al flujo   de   agua. De esta forma el coeficiente   de   permeabilidad   de   un   suelo   no   saturado   es   menor   del   que   el presentaría si estuviese totalmente saturado. La diferencia en tanto no es muy amplia.

• Relación de vacíos: Cuántos vuelos comprimido o vibrado el volumen ocupado por sus elementos sólidos permanece invariable, mientras que el volumen de vacíos disminuye, por lo tanto la permeabilidad del suelo también disminuye.
• Temperatura: cuanto mayor fuese la temperatura, menor la viscosidad del agua y por lo tanto más fácilmente ella fluye por los vacíos del suelo como corresponde aumento del coeficiente de permeabilidad.
• Estructura y estratificación: el coeficiente de permeabilidad del suelo inalterado es distinto del mismo suelo remodelado; cambia su estructura y estratificación. En el moldeado quedan libres partículas de suelo, que al fluir el líquido las mueve reacomoda, obstruyendo canales.
• Existencia de agujeros y fisuras: heladas, ciclos alternados de humedecimiento y secado, efectos   de   vegetación   pequeños   organismos puedo cambiar las condiciones del suelo provocando   discontinuidades que hacen que las características de permeabilidad de los suelos sean diferentes.

Agotamiento de suelos

Problemas que se pueden se generan con la presencia de agua en una excavación en la ingeniería:

• 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 supresión y consecuentemente flotación de estructuras afines

Consideraciones generales para la selección del método de agotamiento de aguas subterráneas

• Propósito del agotamiento (presas, caminos, edificios, etc.)
• Cantidad de agua a agotar
• Profundidad del nivel freático
• Factores de costos

Objetivos para el drenado de excavaciones en una construcción

• Producir condiciones secas de trabajo
• Evitar la elevación o supresiones 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

Permeabilidad

La velocidad con que el agua puede atravesar el material del suelo recibe el nombre de permeabilidad o conductividad hidráulica. Las expresiones de permeabilidad suelen referir a la capa menos permeable del perfil. Son corrientes las permeabilidades de 1 a 2 cm/h, que pueden considerarse moderadas. Los valores superiores a los 2,5 cm/h son elevados y los inferiores a 0,5 cm/h, bajos. La trascendencia de esos valores particulares depende, en parte, del clima de la región donde se presentan los suelos, ya que un aspecto muy importante de la permeabilidad reside en su relación con la probabilidad de que el agua escurra por la superficie durante una tormenta. En suelos con permeabilidad igual o superior a la tasa de precipitación, ocurre una escorrentía nula o muy escasa. Los suelos con capas poco permeables en sus perfiles pueden presentar una escorrentía escasa al principio pero que aumenta con el transcurso del tiempo desde el inicio de la lluvia. En estas condiciones, cuando la parte superior del suelo alcanza la saturación, la permeabilidad desciende, desde la que mostraba inicialmente la superficie, hasta la que presenta la capa más restrictiva.

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