CAPÍTULO VI PROPIEDADES HIDRÁULICAS DEL SUELO

CAPÍTULO VI

PROPIEDADES HIDRÁULICAS DEL SUELO

6.1 Introducción

El conocimiento de cual podría ser el comportamiento del suelo en presencia de agua, es de mucha importancia en la Mecánica de Suelos. Muchos diseños ingenieriles deberán adaptarse a esta condición.

Nos importa conocer, por ejemplo, la ascensión capilar y que altura tomaría en el suelo. Además, interesa conocer la permeabilidad que presenta el terreno, es decir, la posibilidad de que el agua se mueva en el suelo y, finalmente las presiones que se generan en un suelo en presencia de agua.

Las propiedades hidráulicas que se estudiarán son: capilaridad, permeabilidad y presión efectiva.

6.2 Propiedades Hidráulicas del Suelo

6.2.1 Capilaridad 

Se define como la propiedad que tiene el agua de subir por los intersticios de pequeñas dimensiones que se forman entre las partículas, a un nivel más alto que el alcanzado por el agua libre.

Suponiendo que se ha excavado un pozo en un suelo en el que existe agua subterránea, luego, transcurrido un tiempo el agua alcanzará tres niveles, como se aprecia en la figura 6.1:

[pic 1]

[pic 2]

a.- Freático ➔ que es la superficie del nivel que alcanzan las aguas libres, o N.F.

b.- Saturación ➔ que es el nivel en el cual el suelo tiene 100% de saturación.

c.- Capilar ➔ que es el nivel que alcanza el agua al subir por entre los intersticios dejado por los granos en el suelo. Éste es el nivel que interesa estudiar.

El agua asciende por los intersticios del suelo, es decir, los espacios que se originan entre los mismos granos, y a su vez va variando la humedad que existe en el terreno, oscilando ésta entre el estado de saturación hasta humedad cero.

Si se considera un tubo capilar, es decir de diámetro pequeñísimo, colocado en un recipiente con agua, como se aprecia en la figura 6.2, se verá que el agua sube o asciende en el tubo, formándose en la superficie de separación agua – aire, una superficie curva, llamada menisco. En el proceso se invierte un esfuerzo, es decir, se produce un trabajo. De forma experimental se tiene que este trabajo es proporcional al aumento de la superficie del menisco y al aumento por ascensión del agua; esta relación se conoce como coeficiente de Tensión Superficial, “Ts”; y se mide en unidades de trabajo [dinas/cm], representando la fuerza por unidad de longitud en cualquier nivel sobre la superficie.

En los suelos se suponen tubos capilares que se forman entre los intersticios que quedan entre los granos. En el equilibrio, es decir, cuando el agua alcanza la altura mayor de ascensión capilar, el menisco toma la forma de una semiesfera de diámetro igual al diámetro del tubo capilar.

En cuanto al fenómeno de ascensión capilar, se debe tener presente que, el tubo de pequeño diámetro experimenta una ascensión del agua, y en la superficie que queda expuesta se produce un aumento de ésta, lo que supone la formación de una membrana en la superficie del agua la cual es capaz de soportar los esfuerzos de tracción que se tienen entre la presión externa y la interna, llegando de este modo a la formación del menisco. Para la explicación de los esfuerzos presentes en la formación del menisco se utiliza un dispositivo de diámetro muy pequeño al cual se le inyecta aire por la boquilla a una presión “P”. El tubo tiene un extremo sumergido en agua; la presión “P”, se transmite hasta el agua, provocando en la superficie de separación aire – agua un aumento de la superficie llamada menisco, y la consiguiente disminución o estabilización del fenómeno como se aprecia en la figura.

[pic 3]

[pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8]

[pic 9]

La situación que se muestra en la figura representa exactamente el momento del equilibrio, es decir que los esfuerzos se mantienen constantes, entre la presión atmosférica “PA” y presión del tubo “P”. Finalmente el menisco tiene lugar porque la presión “PA” en el lado convexo del menisco es siempre menor que la presión “P” en el lado cóncavo.

6.2.1.1 Condiciones del Fenómeno

Es importante tener en cuenta que, el fenómeno considera que el agua presente en el suelo, se encuentra en una situación de “suspensión”, por lo que no cabe la posibilidad de escurrir por efecto de gravedad. Ello se desarrolla entre el nivel de agua libre o gravitacional y la zona de aireación o también llamada zona no saturada, aunque estos límites no se pueden apreciar de manera precisa.

Si se quiere dar respuesta al por qué se produce la capilaridad, se debe conocer, que es un proceso complejo de mecanismos físicos en el que tiene lugar la condensación y evaporación producidos en la superficie del sólido, en el que debe producirse un equilibrio entre los tres estados sólido, líquido y gaseoso; y como se mencionó anteriormente el equilibrio alcanzado puede ser interrumpido tanto por la evaporación del agua capilar como por la condensación, que a nivel del estrato es más exagerado el efecto como se aprecia en la figura.

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[pic 11]

Además, debe tenerse en cuenta que el comportamiento del agua capilar se ve influenciado por elementos externos como por ejemplo movimientos a nivel freático, estructura del suelo, textura de los granos que componen el suelo, entre otros.

La capilaridad se ha debido adaptar a modelos matemáticos de forma que sea no sólo de fácil comprensión sino de fácil determinación también, y así poder dimensionar numéricamente los efectos físicos que se producen en el suelo.

El ángulo de contacto que se forma entre la pared del tubo y la prolongación del menisco,  se le designa por “α”, como se indica en la siguiente figura.

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