Mecánica de Suelos I - Movimiento de Agua
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7/31/2019 Mecnica de Suelos I - Movimiento de Agua
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EL AGUA EN EL TERRENO
Formas de ocurrencia: En estratos permeables del terreno, que puedenalmacenar y transmitir el agua.
Existen diferentes tipos de formaciones en el terreno que presentan
distinta capacidad de almacenar y transmitir el agua. Los cuatro grupos
principales se clasifican como:
Acuferos: Gravas, arenas, materiales calizos, con gran capacidad dealmacenar y transmitir (drenaje alto)
Acuitardos: Limos, arenas limosas, arenas arcillosas, con gran capacidad dealmacenar, pero con dificultad para transmitir (drenaje medio a bajo)
Acuiclusos: Arcillas, arcillas plsticas, limos arcillosos, con gran capacidad
de almacenar, pero no tiene posibilidad de transmitir (drenaje dificultoso). Acuifugos: Rocas compactas, granitos y gneises, no almacenan ni trasmitenagua, salvo que existan fracturas que permitan flujos.
EL AGUA EN EL TERRENO
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EL AGUA EN EL TERRENO
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Granitos,gneises,mrmoles
NulaNulaNulaAcuifugos
ArcilllasNulaMuy BajaAltaAcuiclusos
Limos, arenas
limosas yarcillosas
BajaMedia/BajaAltaAcuitardos
Gravas, arenas,
calizas
AltaAltaAltaAcuferos
Formacionescaractersticas
Capacidad detransmitir
Capacidadde drenar
Capacidad dealmacenar
Tipo
EL AGUA EN EL TERRENO
MOVIMIENTO DEL AGUA EN LOS ACUIFEROS
En el suelo y el subsuelo el aguase mueve de acuerdo a
caractersticas propias y leyes
particulares. Se puedenidentificar cuatro zonas con
diferentes caractersticas
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MOVIMIENTO DEL AGUA EN LOS ACUIFEROS
Movimiento en el Suelo superficial:Corresponde al estrato superficial que est
en contacto con la atmsfera, en general
son suelos de alta porosidad conabundancia de materia orgnica que pueden
presentar altos contenidos de humedad. Elmovimiento del agua est caracterizado por
fenmenos de almacenamiento, evaporacin
y transpiracin. En este estrato es posiblealmacenar una cantidad de agua que
depende de la capacidad de campo
(humedad mxima que puede almacenar),punto de marchites permanente (humedad
mnima necesaria para que las plantaspuedan sobrevivir), profundidad radicular
media y densidad aparente. Cuando el
suelo se satura, el excedente escurresuperficialmente y/o desciende por efecto de
la gravedad en un proceso de filtracin hacia
la zona saturada.
MOVIMIENTO DEL AGUA EN LOS ACUIFEROS
Movimiento en la zona no saturada: Enesta zona el movimiento del agua est
determinado por la fuerza de gravedad, porlo tanto, su componente vertical
descendente es la ms importante.
Movimiento en la zona capilar: En estazona de transicin el movimiento se debe a
la absorcin capilar de la parte de laformacin acufera situada sobre la zona
saturada.
Movimiento en zona saturada:
Corresponde al estrato donde el agua saturatotalmente los poros. El agua en esta zona
se mueve desde puntos de mayor nivel
piezomtrico a puntos de menor nivelpiezomtrico, es decir de zonas de mayor a
menor energa. Por lo tanto, en esta zona elagua puede moverse en sentido horizontal y
vertical ascendente o descendente.
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Cualquier obstculo que se oponga al paso del agua (partculas de suelo), entre dospuntos, produce una prdida de carga H.
Para que exista flujo de agua en el suelo es necesaria una diferencia de cargahidrulica, de manera que el agua circula desde puntos de mayor carga hidrulica
hacia puntos de menor carga hidrulica. El trabajo invertido para vencer laresistencia del obstculo queda representado por:
H = HA - HB
MOVIMIENTO DEL AGUA EN LOS SUELOS
Para el caso de un fluido en reposo en un recipiente estanco, cuya velocidad deflujo es nula, el teorema de Bernoulli queda reducido a:
h = z + u/w
Donde h se denomina altura piezomtrica.
PRESIONES HIDROSTATICAS
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El paso del agua a travs del suelo ocurreentre los poros interconectados. En
consecuencia el flujo de agua se recorre uncamino serpenteado y con gran cantidad de
obstculos, que producirn prdidas de
carga hidrulica.
La granulometra del suelo incide
directamente en la facilidad o la dificultadpara que se produzca un flujo de agua.
Los suelos granulares presentan tamaos
de poros que ofrecen facilidad para el flujo
de agua y prdidas de carga moderadas.
Los suelos finos, especialmente las arcillas
que presentan tamaos de poros muypequeos, del orden de las micras, que
ofrecen dificultades para el flujo de agua ygrandes prdidas de carga.
PERDIDAS DE CARGA
Cualquier obstculo que se oponga al paso del agua (partculas de suelo), entre dos
puntos, produce una prdida de carga H.
Para que exista flujo de agua en el suelo es necesaria una diferencia de carga
hidrulica, de manera que el agua circula desde puntos de mayor carga hidrulica
hacia puntos de menor carga hidrulica. El trabajo invertido para vencer laresistencia del obstculo queda representado por:
H = HA - HB
MOVIMIENTO DEL AGUA EN LOS SUELOS
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La facilidad de paso del agua a travs de los poros interconectados del suelo semide mediante el parmetro denominado coeficiente de permeabilidad k. Lapermeabilidad del suelo depende de factores como:
La granulometra del suelo
La densidad del suelo La forma y orientacin de las partculas del suelo
El coeficiente de permeabilidad (k) fue planteado por Darcy en 1856 y se mide enunidades de velocidad m/s; m/da; cm/s.
PERMEABILIDAD DEL SUELO
El agua circula en el terreno desde un punto A de mayor altura piezomtrica a unpunto B de menor altura piezomtrica (hA > hB), producindose un prdida de carga
h. Esta prdida de carga se produce en una longitud L, que representa la distancia
que separa los puntos seleccionados a lo largo de una lnea de corriente.
PERMEABILIDAD DEL SUELO
El gradiente hidrulicose puede definir como
la prdida de carga
(altura piezomtrica) porunidad de longitud:
L
h
i
=
i = gradiente hidrulico
h = prdida de carga
L = longitud de suelorecorrida por el agua
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El caudal (Q) que es capaz de atravesar un mediopermeable, es proporcional a la seccin del medio
permeable (A) y al gradiente hidrulico de entrada y salidaen el medio (i)
LEY DE DARCY
kiL
hkv =
=
kAiQ =
La velocidad media del agua (v) a travs de unaseccin macroscpica de suelo es proporcional al
gradiente hidrulico (i).
La ley de Darcy es vlida para el
caso de rgimen de flujo laminar
(Re < 4)
FLUJO ESTACIONARIO EN UN MEDIO ISOTROPO
La ley de Darcy generalizada puede expresarse a partir de las siguientes
expresiones:
x
hkvx
=
xy
hkv y
=y z
hkvz
=
z
Asumiendo que:
El agua es incompresible
v
yu
son funcin exclusivade la posicin x; y; y z.
El suelo tiene densidad
constante y est saturado
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FLUJO ESTACIONARIO EN UN MEDIO ISOTROPO
Se puede establecer matemticamente la ecuacin de conservacin de la masa,que define para un rgimen de flujo estacionario en el cual el agua que entra en
una unidad de suelo por unidad de tiempo es igual a la que sale. Quedando:
0=
+
+
z
v
y
v
x
v zyx
La ley de Darcy generalizada a tres dimensiones puede expresarse a partir de:
,2
2
x
hk
x
vx
x
=
,
2
2
y
hk
y
vy
y
=
2
2
z
hk
z
vz
z
=
y sustituyendo:
02
2
2
2
2
2
=
+
+
z
hk
y
hk
x
hk zyx
FLUJO ESTACIONARIO EN UN MEDIO ISOTROPO
si el medio es istropo (kx = ky = kz):
;02
2
2
2
2
2
=
+
+
z
h
y
h
x
h0
2= h
Que corresponde a la Ecuacin de Laplace que puede ser aplicada a problemas de
flujo como el del agua en un medio poroso.
Esta ecuacin puede ser resuelta grficamente utilizando dos familias de curvas
ortogonales entre s, bajo ciertas condiciones.
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FLUJO ESTACIONARIO EN UN MEDIO ISOTROPO
