Instituto tecnolgico de Campeche

Instituto Tecnolgico de CampecheIng. Civil

DocenteCarlos Manuel Buenfil Berzunza

MECNICA DE SUELOSInvestigacin (Permeabilidad)

AlumnoUcn Jimnez Javier Emanuel

VV-3

PERMEABILIDAD DEL SUELO

Permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es una de las cualidades ms importantes que han de considerarse para la piscicultura. Un estanque construido en suelo impermeable perder poca agua por filtracin. Mientras ms permeable sea el suelo, mayor ser la filtracin. Algunos suelos son tan permeables y la filtracin tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estanque es preciso aplicar tcnicas de construccin especiales.

Por lo general, los suelos se componen de capas y, a menudo, la calidad del suelo vara considerablemente de una capa a otra. Antes de construir un estanque, es importante determinar la posicin relativa de las capas permeables e impermeables. Al planificar el diseo de un estanque se debe evitar la presencia de una capa permeable en el fondo para impedir una prdida de agua excesiva hacia el subsuelo a causa de la filtracin.Los diques del estanque se deben construir con un tipo de suelo que garantice una buena retencin del agua. La calidad del suelo tendr que comprobarse, repetimos, teniendo presente ese aspecto.

FACTORESMuchos factores afectan a la permeabilidad del suelo. En ocasiones, se trata de factores en extremo localizados, como fisuras y crcavas, y es difcil hallar valores representativos de la permeabilidad a partir de mediciones reales. Un estudio serio de los perfiles de suelo proporciona una indispensable comprobacin de dichas mediciones. Las observaciones sobre la textura del suelo, su estructura, consistencia, color y manchas de color, la disposicin por capas, los poros visibles y la profundidad de las capas impermeables como la roca madre y la capa de arcilla*, constituyen la base para decidir si es probable que las mediciones de la permeabilidad sean representativas.La permeabilidad del suelo se relaciona con su textura y estructuraEl tamao de los poros del suelo reviste gran importancia con respecto a la tasa de filtracin (movimiento del agua hacia dentro del suelo) y a la tasa de percolacin (movimiento del agua a travs del suelo). El tamao y el nmero de los poros guardan estrecha relacin con la textura y la estructura del suelo y tambin influyen en su permeabilidad.

Variacin de la permeabilidad segn la textura del sueloPor regla general, como se muestra a continuacin, mientras ms fina sea la textura del suelo, ms lenta ser la permeabilidad:

Variacin de la permeabilidad segn la estructura del sueloLa estructura puede modificar considerablemente las tasas de permeabilidad mostradas anteriormente de la forma siguiente:Existe la prctica general de alterar la estructura del suelo para reducir la permeabilidad, por ejemplo, en la agricultura de regado mediante la pudelacin de los campos de arroz, y en la ingeniera civil mediante la compactacin * por medios mecnicos de las presas de tierra. Se pueden aplicar prcticas similares en los estanques pisccolas con miras a reducir la filtracin de agua.

RELACIONES EMPRICAS PARA LA PERMEABILIDADVarias ecuaciones empricas para estimar la permeabilidad hidrulica se han propuesto a lo largo de varios aos. Para arena bastante uniforme (es decir, con un coeficiente pequeo de uniformidad), Hazen (1930) propuso una relacin emprica para la permeabilidad hidrulica en la forma

donde c = constante que vara entre 1.0 y 1.5D10 = dimetro efectivo (mm)

La ecuacin se basa principalmente en las observaciones de Hazen de arenas sueltas, limpias, para filtros. Una pequea cantidad de limos y arcillas, al estar presentes en un suelo arenoso, cambian considerablemente la permeabilidad hidrulica. Casagrande, en un reporte no publicado, propuso una relacin simple de la permeabilidad para arena limpia media en la siguiente forma:

donde k = permeabilidad bajo una relacin de vacos ek0.85 = valor correspondiente a una relacin de vacos de 0.85

Otra forma de ecuacin que da bastante buenos resultados al estimar la permeabilidad de suelos arenosos se basa en la ecuacin de Kozeny-Carman. La derivacin de esta ecuacin no se presenta aqu; se encuentra en cualquier libro avanzado sobre mecnica de suelos (por ejemplo, Das, 1997). Una aplicacin de la ecuacin Kozeny-Carman da

donde k = permeabilidad bajo una relacin de vacos de e. Esta ecuacin se reescribe como

donde c1 = constante.Se estableci al final de la seccin 4.1 que las condiciones de flujo turbulento existen en arenas muy gruesas y gravas, y que la ley de Darcy puede no es vlida para esos materiales. Sin embargo, bajo un gradiente hidrulico bajo, usualmente existen las condiciones de flujo laminar. Kenney, Lau y Ofoegbu (1984) condujeron pruebas de laboratorio en suelos granulares en que los tamaos de las partculas en varios especmenes variaron de 0.074 a 25.4 mm. Los coeficientes de uniformidad, eu' variaron entre 1.04 y 12. Todas las pruebas de permeabilidad fueron conducidas con una compacidad relativa de 80% o mayor, mostrando que para condiciones de flujo laminar,

donde D5 = dimetro (mm) a travs del cual pasa 5% del suelo.De acuerdo con sus observaciones experimentales, Samarasinghe, Huang y Dmevich (1982) sugirieron que la permeabilidad de arcillas normalmente consolidadas se da por la siguiente ecuacin:

donde C3 y n son constantes por ser determinadas experimentalmente. Esta ecuacin se reescribe como

ESFUERZOS O PRESIONES EFECTIVAS.Esfuerzos en un suelo saturado sin infiltracin. Se muestra una columna de suelo saturado sin infiltracin de agua en ninguna direccin. El esfuerzo total a en la elevacin del punto A se obtiene a partir del peso especfico saturado del suelo y del peso especfico del agua arriba de l. As entonces:

Consideracin del esfuerzo efectivo para una columna de suelo saturado sin infiltracin.

Fuerzas que actan en los puntos de contacto de las partculas de suelo en el nivel del punto A.

Dnde: w = peso especfico del agua sat = peso especfico del suelo saturadoH = altura del nivel del agua desde la parte superior de la columna de sueloH A = distancia entre el punto A y el nivel del agua fretica

El esfuerzo total dado por la ecuacin se divide en dos partes:1. Una porcin es tornada por el agua en los espacios vacos, y acta con igual intensidad en todas direcciones.2. El resto del esfuerzo total es tornado por los slidos del suelo en sus puntos de contacto. La suma de las componentes verticales de las fuerzas desarrolladas en los puntos de contacto de las partculas de slidos por rea de seccin transversal unitaria de la masa del suelo se llama esfuerzo efectivo.El concepto de esfuerzo efectivo se ilustra dibujando una lnea ondulada a-a por el punto A que pase nicamente a travs de los puntos de contacto de las partculas de slidos. Sean P1, P 2, P 3,, P n las fuerzas que actan en los puntos de contacto de las partculas de suelo. La suma de las componentes verticales de todas aquellas fuerzas sobre el rea de seccin transversal unitaria es igual al esfuerzo efectivo o:

Dnde: P1(v ), P2(v), P3(v), ... , Pn(v) son las componentes verticales de P1, P2, P3, , Pn, respectivamente, y A es el rea de la seccin transversal de la masa de suelo bajo consideracin.De nuevo, si as es el rea de seccin transversal ocupada por los contactos slido con slido (es decir, a5 = a1 + a2 + a3 + ... + an), entonces el espacio ocupado por el agua es igual a (A a5)' Entonces escribimos

Dnde: u = HAw = presin de poro del agua (es decir, presin hidrosttica en A)a'5 = aJX = fraccin del rea de seccin transversal unitaria de la masa de suelo ocupada por los contactos de slido a slido.El valor de a'5 es muy pequeo y se desprecia para los rangos de presin encontrados generalmente en problemas prcticos. La ecuacin es entonces aproximada por:

Donde a u se le llama tambin esfuerzo neutro. Sustituyendo la ecuacinpor en la ecuacin da:

Donde es el peso especfico sumergido del suelo. Es claro entonces que el esfuerzo efectivo en cualquier punto A es independiente de la profundidad del agua H sobre el suelo sumergido.

Esfuerzos en un suelo saturado con infiltracin.Si se tiene infiltracin, el esfuerzo efectivo en cualquier punto en una masa de suelo ser diferente al del caso esttico. ste crecer o decrecer, dependiendo de la direccin de la infiltracin.

Infiltracin hacia arriba.Se muestra una capa de suelo granular en un tanque donde la infiltracin hacia arriba es causada por la adicin de agua a travs de una vlvula situada en el fondo del tanque. La tasa de agua suministrada se mantiene constante. La prdida de carga causada por la infiltracin hacia arriba entre los niveles de los puntos A y B es h.Tomando en cuenta que el esfurzo total en cualquier punto en la masa de suelo es determinado nicamente por el peso del suelo y del agua arriba de ste, calculamos ahora el esfuerzo efectivo en los puntos A y B:En A Esfuerzo total: Presin de poro del agua: Esfuerzo efectivo:

En B Esfuerzo total: Presin de poro del agua: Esfuerzo efectivo:

Similarmente, calculamos el esfuerzo efectivo en un punto C localizado a una profundidad: debajo de la parte superior de la superficie del suelo:En C Esfuerzo total: Presin de poro del agua: Esfuerzo efectivo:

Estrato de suelo en un tanque con infiltracin hacia arriba.

(b) esfuerzo total; (e) presin de poro del agua; (d) esfuerzo efectivo con la profundidad en un estrato de suelo con infiltracin hacia arriba.Note que h/H2 es el gradiente hidrulico i causado por el flujo, y entonces

Las variaciones del esfuerzo total, de la presin de poro del agua y del esfuerzo efectivo con la profundidad estn graficadas en las figuras b, c, y d, respectivamente. Si la tasa de infiltracin y del gradiente hidrulico son incrementadas gradualmente, se alcanzar una condicin lmite, en donde

Donde icr = gradiente hidrulico crtico (para un esfuerzo efectivo nulo). En tal situacin, la estabilidad del suelo se perder. A esto se le llama ebullicin o condicin rpida.De la ecuacin tenemos: Para la mayora de los suelos, el valor de icr vara entre 0.9 y 1.1, con un promedio de 1.

Infiltracin hacia abajo.La condicin de infiltracin hacia abajo se muestra en la figura 5.4a. El nivel del agua en el tanque de suelo se mantiene constante ajustando el suministro desde la parte superior y la salida en el fondo.El gradiente hidrulico causado por la infiltracin hacia abajo es i = h/H2. El esfuerzo total, la presin de poro del agua y el esfuerzo efectivo en cualquier punto e son, respectivamente,

Las variaciones del esfuerzo total, de la presin de poro del agua y del esfuerzo efectivo con la profundidad se muestran tambin grficamente en las figuras b, c y d.Se realiz una perforacin exploratoria en un estrato de arcilla firme saturada. Se observ que la capa subyacente de arena estaba bajo presin artesiana. El agua en la perforacin se elev a una altura H1 por arriba de la capa de arena. Si va a realizarse una excavacin a cielo abierto en la arcilla, qu tan profunda debe hacerse la excavacin antes de que el fondo se bufe? Se dan H = 8 m, H1 = 4 m y w = 32%.

Estrato de suelo en un tanque con infiltracin hacia abajo.

(b) esfuerzo total; (c) presin de poro del agua; (d) esfuerzo efectivo con la profundidad en un estrato de suelo con infiltracin hacia abajo.

Esfuerzo efectivo en un suelo parcialmente saturado.En un suelo parcialmente saturado, el agua en los espacios vacos no es continua, y se tiene un sistema de tres fases, es decir, slido, agua de poros y aire de poros.

Por consiguiente, el esfuerzo total en cualquier punto en un perfil de suelo est formado por presiones intergranulares, presiones de aire de poro y presiones de agua de poros. Con base en resultados de pruebas de laboratorio, Bishop y otros (1960) dieron la siguiente ecuacin para el esfuerzo efectivo ' en suelos parcialmente saturados:

Dnde: = esfuerzo totalua = presin de aire de porosuw = presin de agua de poros

En la ecuacin X representa la fraccin de un rea de seccin transversal unitaria del suelo ocupado por agua. Para suelo seco, X = O Y para suelo saturado X = l. Bishop y otros sealaron que los valores intermedios de X dependen principalmente del grado de saturacin S. Sin embargo, esos valores tambin son afectados por factores como la estructura del suelo.La naturaleza de la variacin de X con el grado de saturacin S para un limo:

Relacin entre el parmetro X y el grado de saturacin para limo Bearhead (segn Bishop y otros, 1960).

ASCENCIN CAPILAR EN SUELOSLos espacios vacos continuos en el suelo actan como montones de tubos capilares con secciones transversales variables; por lo tanto, debido al efecto de la tensin superficial, el movimiento del agua en el suelo tiene lugar por ascencin capilar.

el concepto fundamental de la altura de ascencin en un tubo capilar. La altura de ascensin del agua en un tubo capilar se obtiene sumando las fuerzas en direccin vertical, o

donde T = tensin superficiala = ngulo de contactod = dimetro del tubo capilar'Yw = peso especfico del agua

De la ecuacin vemos que, con T, a y 'Yw constantes,

La presin en cualquier punto en el tubo capilar arriba de la superficie libre del agua es negativa con respecto a la presin atmosfrica, y la magnitud se da por h'Yw (donde h = altura arriba de la superficie libre del agua).Aunque el concepto de ascencin capilar demostrado para un tubo capilar ideal se aplica a suelos, debe ser claro que los tubos capilares formados en los suelos tienen secciones transversales variables debido a la continuidad de los vacos. Los resultados de la no uniformidad en la ascencin capilar se ven cuando una columna seca de suelo arenoso es colocada en contacto con agua (figura 4.19).

Despus de cierto tiempo, la variacin del grado de saturacin respecto a la altura de la columna de suelo causada por la ascencin capilar ser aproximadamente como muestra la figura 4.19b. El grado de saturacin es casi de 100% hasta una altura h2 y corresponde a los vacos ms grandes. Ms all de la altura h2J el agua ocupa slo los vacos ms pequeos; por consiguiente, el grado de saturacin ser menor a 100%. La altura mxima de ascensin capilar corresponde a los vacos ms pequeos. Hazen (1930) dio la siguiente frmula para determinar aproximadamente la altura de la ascencin capilar

donde D10 = dimetro efectivo (mm)e = relacin de vacosc = constante que vara entre 10 y 50 mm2

La ecuacin (4.45) tiene una forma similar a la ecuacin (4.44). Al disminuir D10 el tamao del poro en el suelo disminuir, causando una ascensin capilar mayor. La muestra el rango aproximado de ascensin capilar en varios tipos de suelos.La ascensin capilar es importante en la formacin de algunos tipos de suelos como el caliche, que puede encontrarse en los desiertos del sudoeste de Estados Unidos. El caliche es una mezcla de arena, limo y grava unidos entre s por medio de depsitos calcreos, los cuales son llevados a la superficie por una red de migracin hacia arriba del agua por efecto de capilaridad. El agua se evapora en las altas temperaturas locales.Debido a la escasa lluvia, los carbonatos no son lavados de la capa superior del suelo.