propiedades hidraulicas de los suelos
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PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS SUELOS
TENSION SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD
TENSION SUPERFICIAL.
Propiedad de un liquido en la interfase Liquido-gas
Moléculas de la superficie
soportanFuerzas de tensión
Explican el rebote de una piedra y la formación de gotas.
T = Tensión Superficial N/mm (Newtons / milímetro)
Newton = kg. m/seg2
El valor de la tensión es de 73 dinas/cm ≈ 0.074 gf/cm.gf= gramos fuerza.
La tensión 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=𝑑𝑊𝑑𝐴
T es el trabajo (W) para aumentar el Área (A) de una superficie liquida
CAPILARIDADEs el fenómeno debido a la tensión superficial por el cual un liquido asciende por tubos de pequeño diámetro y laminas muy próximas.
Cohesión= atracción moléculas iguales.Adhesión = atracción moléculas diferentes.
Dependen de las sustancias
Fv = F + UR2
Fv = 2RTcos + UR2
𝑈𝜔=−4𝑇𝑐𝑜𝑠𝛼
𝐷
𝑈 𝜔=−hc γ𝜔
h𝑐=4𝑇𝑐𝑜𝑠𝛼𝛾𝜔𝐷
h𝑐=0.3(𝑐𝑚)𝐷(𝑐𝑚)
𝛾𝜔=1𝑔𝑟𝑓𝑐𝑚3
Temperatura = 20C.
ASCENSO CAPILAR EN VARIOS TUBOS CAPILARES
A= Tubo de referencia con ra B= Tubo Corto rb > ra
C = Agua no puede ascender.D= Tubo llenado por encima.
ASCENSO CAPILAR EN SUELOS FINOS
Arenas Finas (T#40 – T#200)
Sueltas hc = 0.3m – 2.0m
Densas hc = 0.4m – 3.5m
Arcillas ( < T#200)
hc ≥ 10 m.
CAPILARIDAD Y CONTRACCION EN SUELOS ARCILLOSOS
La capilaridad se explica por dos fuerzas
ABSORCIÓN
OSMÓTICA
Entre partículas activas del suelo y el agua, influyen la adherencia y la tensión superficial.
Propia de la fase liquida y explicada por la concentración de iones
POTENCIAL DE HUMEDAD O SUCCION pF
Es la max. Tensión (H en cm) que ejerce el esqueleto de los suelos sobre el agua que se encuentra en los poros
Si H =100000cm
pF =4
CONTRACCION Y EXPANSION EN LAS ARCILLAS
Significa que aumentan los esfuerzos efectivos del suelo al perderse agua (evaporación, transpiración), porque el ángulo →0. el suelo se contraerá , agrietándose.
Ejercicios pág. 45 cap. 6
AGUA EN EL SUELO
CICLO HIDROLOGICO
PRE=INF + ESC+EVP +TRAEVOTRANSPIRACION Y LA INFILTRACION: DIFICIL DE
EVALUARESCORRENTIA: Fracción de desagüe se evalúa observando y aforando caudales por largos periodos en una cuenca.
La masa de agua evacuada por ESC y PRE permite establecer dos parámetros Cap y ESC - PRE
𝐶𝑎𝑝=𝐸𝑆𝐶𝑃𝑅𝐸
=𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑑𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒
[𝐸𝑆𝐶− 𝑃𝑅𝐸 ]=𝐼𝑁𝐹+𝐸𝑉𝑂𝑇𝑅𝐴𝑁
En geotecnia interesa la infiltración
Depende
Precipitación (lluvias Finas y prolongadas + infiltración)
Naturaleza del Terreno Zona kárstica infiltración total, circulación localizada.Cobertura vegetal favorece la evo transpiración, favorece la infiltración.Permeabilidades altas del suelo y pendientes bajas + infiltración
ORIGEN DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS
AGUAS ESTABLECIDAS
AGUAS LIBRES
• Incluidas en minerales y rocas• Constitución y cristalización.• Hidratación
• Aguas de penetración debido a escorrentías a la presión de lagos, mares etc.
• Aguas de condensación procedentes de capas superficiales o profundas .
• Aguas de profundidad.
MACIZOS TERREOS CON AGUA SUBTERRANEA
Acuicierres, Acuifugos, Hidrófugos: Depósitos con nula permeabilidad Acuicludos: Macizos poco permeables
Acuíferos: macizos con permeabilidad Media a alta
Acuíferos confinados: El NAF esta a presión mayor que la atmosféricaAcuíferos inconfinados: El NAF esta a presión atmosférica
Acuíferos seminconfinados:
CLASES DE FLUJO
Flujo Permanente: o Continuo se mantienen las condiciones de borde en el tiempo, dirección y velocidad constantes
Flujo Transiente: las condiciones de borde cambian en el tiempo, dirección y velocidad también cambian.
AGUA SUBTERRANEA
A 16km de profundidad. no existe agua subterránea las rocas fluyen plásticamente y los poros están cerrados.A 6km de profundidad: El agua es poca, aunque las rocas ya son rígidas.A 600 m: El agua pude recuperarse en pozos
NAF: Lugar geométrico de los niveles que alcanza la zona saturada del suelo.
ESTADOS DEL AGUA SUBTERRANEA
DE CONSTITUCION Químicamente enlazada
SOLIDA: Hielos producto del congelamiento
CAPILAR
GAVITACIONAL : el agua subterránea alimenta pozos y manantialesVAPOR DE AGUA: Existe en el aire y su mov. corresponde a gradientes térmicos.
• Constitución Molecular• Cristalina.• Zeolítica.
• Perenne: Antártida.• Semiperenne: Siberia
• Angular • Suspendida• Elevada: Sobre el NAF
PROPIEDADES DEL AGUA
DENSIDAD () Se define como la masa sobre el volumen y depende de TPESO UNITARIO ( ): Es el producto de la densidad por la gravedad (*g).VISCOSIDAD DINÁMICA (n): n = txy = Kg/m seg. y esfunción de la temperatura.VISCOSIDAD CINEMÁTICA (U): u = n/ » r 10-6 m2/seg y es función de la T.COMPRESIBILIDAD DEL FLUIDO ( b ): Es la variación de la densidad con la presión.
PROPIEDADES DEL SUELOPOROSIDAD ( h ). (VV/VT).Suelos Arenosos: 0,35 < h < 0,45 Turbas o Arcillas: 0,40 < h < 0,85POROSIDAD EFECTIVA (he). Se define por los poros efectivos para permitir el flujo, pues descuenta los poros no interconectados o muy cerrados. En arcillas he << h y en arenas he » hCOEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD UNIDIMENSIONAL ( a ). Se define como el cambio unitario en altura (dh/h) con respecto a la variación del esfuerzo efectivo vertical (ds’V). Se mide en m2/N.En arenas a = 10-7 – 10-8 m2/N Arcillas es 10-6 – 10-7 m2/N.
GRADO DE SATURACIÓN (S). (VW/VV), por lo que 0 ≤ S ≤ 1, siendo S = 0 cuando gT = gd y siendo S = 1 cuando gT = gsat.
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DEL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO NO
COMPRESIBLE.
TRES (3) PRINCIPIOS DE LA FISCA:Conservación de la Energía.Conservación de la Masa.Conservación del Movimiento Cinético.
FLUIDOSMedios porosos
existen consisten
Espacios vacíos y
continuos
garantizan
FlujoPERMEABLES
SUPOSICIONES
• El medio saturado• La masa incompresible• Solidos y Fluidos
incompresibles• Solo varia el Volumen de Poros
CONSERVACION DE LA MASA
Ecuacion de Continuidad.
++x=
En función de la relación de vacíos eo
Si = 0 Flujo permanente
Si ≠ 0 Flujo trasciente
CONSERVACION DE LA ENERGIA
Las leyes de EULER
Se aplican Líquidos sometidos a la gravedad y en mov.
permanente
EQUACIÓN DE BERNOULLI
𝜱=𝒁+ 𝑷𝜸
+ 𝑽𝟐
𝟐𝒈
C
Velocidad alta en Sueloshv = V2/2g < 5,1 x10-4 cm, por eso se desprecia
H = hp + hz = Cabeza Piezometrica H
CONSERVACION DEL MOMENTO
Ley de Darcy (empírica)
Velocidad de infiltración
Flujo
Material con porosidad cte. K. y gradiente
piezométrico i = H/L
La permeabilidad K del material
Forma de las partículasTamaño de los conductosLa relación de vacíos e.Viscosidad del fluido .La temperatura (afecta la viscosidad)
TANQUE DE AGUA (I)Como en el tanque no existe flujo, la cabeza total es h = cte., es
decir Z = -UW/gW
TUBO CAPILAR (II)La tensión soporta el peso del agua, es decir
2pRxTcosa = gWhc * pR2
a = ángulo del menisco.
PRESION DE POROS U Y POTENCIAL P EN EL SUELO
Presion de Poros U. La Presión Intersticial por debajo del N.A.F.
EL Potencial P.Mide la energía del sistema
Ejercicio:Calcular la presión de poros U en A y B, el potencial PA Y PB, y el gradiente hidráulico i, entre A y B, para el permeámetro horizontal del a figura, basándose en los piezómetros A y B.
Solución.
Ejercicio.Si en el caso anterior la permeabilidad es K = 5*10-3 m/seg, obtenga el gasto Q (DARCY).
𝑄=𝐾× 𝑖× 𝐴
K= Permeabilidad = 5*10-3 m/seg. i = Gradiente Hidráulico = 0.2A = Área = 2m x 2m
𝑄=𝐾× 𝑖× 𝐴=5×10−3 𝑚𝑠𝑒𝑔
×0.2×2𝑚×2𝑚=4×10−3 𝑚3
𝑠𝑒𝑔=0.24 𝑚3
𝑚𝑖𝑛