PROPIEDADES HIDRAULICAS DEL SUELO
Enviado por jmark3214 • 7 de Diciembre de 2013 • 4.873 Palabras (20 Páginas) • 791 Visitas
CAPÍTULO 6
PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS.
6.1 Capilaridad y tensión superficial
6.1.1 Tensión superficial.
Es la propiedad de un líquido en la interfase “líquido – 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.
El valor de la tensión es de 73 dinas/cm 0,074 gf/cm siendo gf, gramos-fuerza. Este coeficiente 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.
dW
T (6.1)
dA
Vidrio
Oro
+h
H2O
Vidrio
-h
H2O Hg
6.2 Capilaridad.
Fenómeno debido a la tensión superficial,
en virtud del cual 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
Adh. > Coh.
Adh. = Coh.
Adh < Coh.
moléculas iguales (cohesión) y moléculas
Figura 6.1 Fuerzas de adhesión y cohesión en los meniscos, según los materiales.
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
de contacto en la vecindad, y de la
gravedad.
NOTA: El tamaño de los poros del suelo es /5, en suelos granulares.
Sean: hc = altura capilar de ascenso del agua, en un tubo de estrecho radio R, parcialmente sumergido. = el ángulo del
menisco con el tubo capilar. T = tensión superficial dentro del tubo capilar. El agua asciende contra la
presión UW, a la que se suma la presión atmosférica
sobre toda la superficie del fluido. Pa = presión
atmosférica (el aire pesa), que se compensa.
Haciendo suma de fuerzas verticales FV = 0; para
Pa = 0
2 R * Tcos + UW * R2 = 0 = FV;
despejando la presión de poros, que es U ,
U =- +hc -Z
Uw hc
Pa=0
D
+Z
Figura 6.3 Esfuerzos en un tubo capilar vertical
2T cos
U
R
4T cos
D
(6.2)
pero U = -hc por ser el peso de una columna de agua de altura h
4T cos
hc
D
Como en agua
0,03 (m)
1,
grf
cm3
hc (6.3)
⇒ y en aire y agua
D(mm)
T 0,074
grf
cm
si la temperatura es 20
Para D = 0,1 mm, hc vale 0,3m. Si = 0°, el radio del menisco es el mismo del tubo. Llamemos r al radio del menisco.
A = Tubo de referencia con ra
hc ra rb
A B C D
Figura 6.4 Ascenso capilar en varios tubos capilares.
B = Tubo corto. rb > ra; (UA > UB)
C = El agua no puede ascender por el ensanchamiento del tubo.
D = Tubo llenado por arriba.
El ascenso capilar en los suelos finos es alto. En arenas finas (T40 – T200), si es suelta hc = 0,3m – 2,0m,
Kg
si es densa hc = 0,4m – 3,5m. En arcillas ( < T200), hc 10m ( Whc = UW 1 at 1
cm 2 )
6.1.2 Capilaridad y contracción en suelos arcillosos
Dos fuerzas: Adsorción entre las partículas activas del suelo y el agua y fuerzas osmótica, propia de la
fase líquida y explicada por concentración de iones, explican la capilaridad de las arcillas. En la adsorción influyen la adherencia y la tensión superficial.
Potencial de humedad o succión pF: Es la máxima tensión (H en cm) que ejerce el esqueleto del suelo sobre el agua de los poros. Como la resistencia a la tensión
si H
pF log H (cm) ⇒
10000 cm
del agua es 2000 MN/m2, el valor de pFmax = 7 (equivale a H
= 100 Km = 107 cm).
pF 4
Cuando existe diferencia en el potencial de humedad pF se
produce flujo de agua aunque no exista cabeza hidráulica. El agua así, pasará de regiones con bajo pF hacia las de alto pF. Cuando ambas igualen el pF, el flujo continuará hasta que se igualen las diferencias de altura.
6.1.3 Contracción y expansión en arcillas: Los suelos arcillosos pueden cambiar su cohesión así: Consideremos un tubo horizontal.
L1
1
r1 2R1 1
L2 2
r2 2
L3 3
r3 3
2R3
Figura 6.5 Contracción de suelos finos
ri = Radio del menisco (variable).
Ri = Radio del tubo elástico (variable).
Li = Longitud del tubo con agua (variable).
i = Ángulo del menisco con el tubo (variable).
El tubo elástico pierde agua; L1 > L2 > L3 en consecuencia,
R1 > R2 > R3; de esta manera
...