SUELOS Hidrulica de suelos

Hidrulica en suelosMECANICA DEL SUELOMsc CALSINA COLQUI Vidal V.Tipos de agua en los suelosEl agua se presenta en la estructura del suelo y la roca como:Agua estructuralAgua higroscpicaAgua capilarAgua gravitacionalnv

Tipos de agua en el suelo Agua estructural : Esta contenida en los minerales del suelo (hidromica, xidos hidratados, etc.) solamente son liberados en procesos edficosAgua higroscpica : Es agua inmvil, es removida solamente por calentamiento o sequa prolongada.Agua capilar : Es agua retenida en los microporos por fuerza de capilaridad, el agua de los capilares mayores puede percolar pero no puede drenar fuera del perfilAgua gravitacional : Es agua retenida en los macro poros y puede drenar fuera del perfil. Tamao del poro con relacin al tipo de agua

Movimiento del agua en los suelos El agua se mueve debido a las siguientes manifestaciones :Tensin superficialTensin capilarFiltracin

Tensin superficial en una disolucin de jabon

Tensin superficialEs una fuerza que acta paralelamente en la interfase liquida gas en los poros y en todas las direcciones para mantener la atraccin molecular que se encuentra desequilibrada.T es el trabajo necesario para aumentar el Area de una superfice liquida. T= dW/dASu magnitud es igual a :T = Ts =To = 0,075 g/ cm a 21 C aumenta o disminuye segn aumenta o disminuya la TT = 0,074 gf/cm o 73 dinas/cm a 20C

Manifestaciones de la tensin superficialSi una muestra de arcilla se seca su volumen se reduce, la tensin superficial acta disminuyendo el volumen de los poros. Cuando una muestra seca absorbe agua, se desintegra por el efecto parcial de la tensin superficial.Una muestra de suelo de arena seca se va de nuestras manos, pero al humedecerla se pegaran los granos (pelcula de humedad entre granos) y podemos hacer una bola con ella, la tensin superficial de la pelcula de humedad es la responsable de esta resistencia; pero si la arena hmeda lo sumerges en el agua, la pelcula fina de humedad se pierde y la arena volver a correr entre los dedos.Rebote de una piedra en el aguaTensin capilar y radio del menisco en un tubo uniforme de dimetro d

Formacin de meniscosa. Angulo de contacto vidrio-agua < 90 Ad >Cohb. Angulo de contacto vidrio-mercurio > 90 (140) Ad < CohC. Angulo de contacto oro-agua. = 0 Ad = Coh

Tensin capilara. p2 < p1 PA = P1b. p2 > p1 pM = p2 + wh PA = p2 = 0Uw = -wh

Esfuerzos en el agua

Tensin capilar Fv = 0 Pa = 02R.Tcos + Uw.R2 = 0Luego la tensin capilar sera:Uw = -2Tcos / R = - 4T cos /D = -2T/rLa tensin mxima : Umax = 4To / DDonde: D= Dimetro del tubo capilarR = Radio del tubo capilarr = Radio del meniscoTensin Capilar en los suelos Las intercomunicaciones entre los vacos o poros del suelo forman tubos capilares irregulares pero definidos. Fig En un suelo no cohesivo el tamao efectivo del poro para la tensin capilar es aprox. Igual a un quinto de D10.Si la masa de suelo esta saturada e inundada la superficie entre aire y agua desaparece y la tensin capilar se reduce a cero.Cuando el suelo saturado se expone al aire se desarrolla la tensin capilar tan pronto acta la evaporacin.Tubos capilares formados por los poros del suelo

Capilaridad o Ascensin capilar del agua en un suelo (hc)Se da por encima del nivel fretico. Es el producto del efecto combinado de la tensin superficial, tensin capilar y la presin hidrosttica. FigAl nivel del agua subterrnea existe una superficie libre y la presin del agua u es cero. Debajo del nivel fretico la presin aumenta. Por arriba del nivel fretico la presin disminuye.La tensin capilar tambin es: Uw = -w.h (Peso de columna de agua)Igualando a la formula de tensin capilar tendremos la ascensin capilar:hc= 4Tcos / wDhc = 0,03 (m)/ D (mm)Ascensin capilar del agua en un suelo (hc)Segn Hazen:hc=N/e.D10 N = factor vara 0,1 a 0,5 cm2Emplendose el menor valor para suelos limpios y partculas redondeadas y el valor mayor para materiales con partculas de granos rugosos, otros usan 0,3 como un promedio o aproximacin.

Ascensin capilar del agua en un suelo (hc)Segn Peltier .hc = n. x/2k.t Donde: n = porosidadx = altura alcanzada cm por el agua en un tiempot= tiempok = Coeficiente de permeabilidad cm/segAltura del agua capilarLas alturas que alcanzan son en suelos saturados : Arenas finas sueltas: 0,3 2,0 m., en arenas finas densas 0,4 3,5 m. en algunas arcillas mas de 10 m. en una zona de saturacin parcial se extiende a alturas mayores.Si el suelo es homogneo la altura aprox. Se puede calcular por el tamao efectivo de los granos, usando la relacin entre el dimetro del poro y el tamao del grano.La altura real del agua capilar y la mxima tensin nunca son tan grandes como las obtenidas en los clculos. (discontinuidades).ProblemaEmpleando la frmula de Hazen , determinar la ascensin capilar en los suelos, determine dicha altura para los sgtes casos:a) Arena con D10 = 0,05 mm; e=0,65 y N= 0,3 cm2b) Arcilla con D10= 0,002mm,E= 0,65 y N = 0,3 cm2hc= 0,3/0,65) (0,005) = 92,31 cm 0,92 m.hc= 0,3/(0,65)(0,002) = 2300,6 cm 23 m.Humedad capilar y flujoPor arriba de la superficie libre del agua o nivel fretico el movimiento de la humedad es mas complejo.El suelo esta saturado hasta la altura a que llega la humedad capilar pero por arriba de este nivel el grado de saturacin es menor.La gravedad y el rozamiento del agua todava actan sobre la humedad del suelo pero las fuerzas capilares son an importantes; estas incluyen la tensin superficial y la adherencia fisicoqumica entre el agua y el suelo. Estas fuerzas son de traccin y producen un esfuerzo neutro negativo. La traccin aumenta cuando baja la T y cuando decrece el grado de saturacin.En al zona de saturacin parcial tambin existe agua en estado de vapor y la presin del vapor disminuye la THumedadLa humedad se clasifica en :Humedad Continua: Suelo saturadoHumedad discontinua: El agua ocupa parcialmente los poros.

Humedad capilar y flujo Equilibrio capilarLa humedad se eleva sobre la superficie libre del agua por efecto de la tensin capilar.Cuando se establece el equilibrio la humedad se distribuye aprox. Como se muestra en la Figura Equilibrio capilar y distribucin de la humedad en el suelo

Humedad capilar y flujoEn la zona capilar el suelo esta saturado; la humedad es continua y el esfuerzo neutro sigue las leyes de la hidrosttica.Sobre esta zona esta la franja capilar, el grado de saturacin cae rpidamente pero aunque la humedad no llena los poros, todava es continua en las cuas interconectadas que estn entre los granos de suelo. El esfuerzo efectivo ya no es igual al esfuerzo total menos el esfuerzo neutro por que el esfuerzo neutro no acta sobre toda el rea de los poros. El grado de saturacin aminora a medida que aumenta la altura sobre la superficie libre del agua hasta que las cuas de humedad se desconectan.Humedad capilar y flujoEn la zona de humedad discontinua hay todava esfuerzo neutro pero no hay distribucin hidrosttica. En cada cua de humedad se desarrollan esfuerzos diferentes que dependen de su radio y aunque los esfuerzos pueden ser muy altos actan en un pequea fraccin de los poros.

Humedad capilar y flujoMovimiento del vapor de agua:Ocurre tanto en la zona de la franja, como en la de humedad discontinua.La diferencia entre las presiones del vapor que se requiere para que se establezca una corriente puede provenir de diferentes causas.La evaporacin en la superficie del suelo reduce la presin y provoca un movimiento, una cada brusca de la T en la superficie del terreno tambin reduce la presin y provoca un movimiento ascendente mientras que una subida brusca de la T en la superficie produce un movimiento descendente.Humedad capilar y flujoFlujo capilarSe produce en la zona de saturacin y en la franja capilar donde la humedad es continua. En estado de equilibrio (Figura)La tensin capilar , u, equilibra el esfuerzo hidrosttico wz y no se produce movimiento.Si algo hiciera cambiar la tensin capilar entonces se producira el flujo, dependiendo de si la tensin capilar aumenta o disminuye con relacin al gradiente hidrosttico.El flujo capilar se produce en forma horizontal y vertical.Humedad capilar y flujoEn las regiones ridas la continua evaporacin en la zona de la franja ,mantiene un estado de desequilibrio y un flujo capilar ascendente. Figura a Las sales disueltas son tradas de la zona de saturacin y precipitadas en la franja cuando el agua se evapora, resta concentracin de sales precipitadas tienes dos efectos significativos Primero la zona de la franja se cementa y finalmente se hace impermeable por las sales (carbonato y sulfato de calcio).El segundo es el efecto de las sales en la agricultura limita cosechas y hace estril al suelo.Flujo capilar en estado de desequilibrio

Humedad capilar y flujoEn las regiones hmedas el flujo ascendente puede ser provocado por la prdida de agua de la zona capilar por la transpiracin de los cultivos y de otra vegetacin.La evaporacin acelerada producida por el calor tambin puede aumentar la tensin capilar y el movimiento ascendente de la humedad. Si el suelo es compresible el aumento de la tensin apilar producir retraccin y asentamiento. Algunas especies de rboles han causado fuertes asentamientos por desecacin capilar.Humedad capilar y flujoEn las regiones secas el continuo flujo ascendente de la humedad algunas veces se interrumpe por la construccin de un edificio o un pavimento lo cual reduce la prdida de humedad por evaporacin. El equilibrio esttico se produce con una elevacin del nivel de la lnea de saturacin capilar y un aumento en el grado de saturacin en la zona de la franja capilar.Pude tener dos consecuencias: Cualquier zona cementada se debilita. Los surcos en los pavimentos algunas veces se producen debida a una subrasante hmeda en una regin desrtica, si la estructura de los granos del suelo cementado es blanda pudiera haber un hundimiento de la superficie del terreno y daos a las construcciones. El aumento de humedad causar la expansin de las arcillas plsticas que se encuentren en el lugar.Humedad capilar y flujoEl flujo ascendente se puede provocar por una cada en la T de la superficie del terreno, lo cual aumenta la tensin capilar Figura b.El movimiento provocado por la T algunas veces se llama termo-smosis, por ejemplo los trabajos de construccin que se realizan en otoo cuando la T desciende uniformemente a veces se ven obstaculizados por el aumento de la humedad del suelo aunque no llueva. Humedad capilar y flujoEl flujo descendente es provocado por el aumento en el grado de saturacin de la franja acompaado por un aumento en el radio de cada menisco en la franja y en el lmite de la zona de saturacin capilar.La tensin capilar se reduce Figura c y la reduccin u produce un gradiente que causa un flujo descendente.De esta manera se restablece el nivel del agua subterrnea aunque el agua que llega al nivel fretico puede que haya vendi de la zona capilar.Un movimiento descendente similar puede ocurrir durante perodos en que la T de la superficie del terreno aumente. Humedad capilar y flujo La velocidad del flujo capilar es proporcional a los factores de cambio en el esfuerzo,u a la distancia a travs de la cual se produce el flujo l/z y la permeabilidad k.En las arenas los cambios de esfuerzo u son pequeos por que los poros grandes limitan la tensin capilar, por lo que aunque z es pequea y k grande la velocidad del flujo es pequea.En las arcillas que tienen poros muy pequeos el u es probablemente grande, pero z es tambin grande y k es extremadamente bajo. En las arcillas por lo tanto la velocidad del flujo capilar es tambin muy pequea. En los suelos limosos la combinacin ptima de poros pequeos que produce valores moderadamente grandes de u y coeficientes de permeabilidad que no son muy pequeos produce la mxima velocidad de flujo capilar.Humedad capilar y flujo Humedad del suelo encima del nivel freticoDebido a los cambios ambientales es improbable que el equilibrio capilar se mantenga por mucho tiempo, la humedad en la zona capilar est cambiando constantemente y se producen grandes variaciones en las propiedades ingenieriles de los suelos.Estos cambios son ms significativos en la zona de la franja capilar pero su efecto se sienten por debajo de la lnea de saturacin.Sus implicaciones son mximas en pavimentos y de losas de piso, tambin en cimentaciones poco profundas y la parte superior de estructuras empotradas profundamente en el terreno son tambien afectadas en menor grado.Humedad capilar y flujoLas variaciones de humedad que producen debajo de las estructuras se deben a los siguientes factores:Clima, ascensin capilar potencial del suelo y posicin del nivel fretico. Cuando el nivel fretico es alto en una regin relativamente hmedo ( 6 m de profundidad en arcilla, 3m en limos , 1 m a 1,5 m. en arena) la saturacin capilar probablemente representa el equilibrio lmite de humedad.Con un nivel fretico profundo en regiones hmedas o secas el equilibrio de la humedad se produce finalmente debajo de los pavimentos o de anchas estructuras., el contenido de humedad es algo menor que el que corresponde a la saturacin pero relativamente constante para un determinado suelo en esa regin.Humedad capilar y flujoEn regiones extremadamente secas con nivel fretico muy profundo no es probable que el contenido de humedad cambie por efecto de una construccin. El equilibrio de la humedad del suelo no se diferenciar del que tena el terreno antes de realizarse la construccin.Las variaciones de humedad en cualquier lugar se deben establecer por observaciones en el terreno, correlacionadas con las condiciones climticas (cambios de estacin: lluvia y T) y con las propiedades del suelo.Succin o potencial capilar (PF)Es la mxima tensin (H en cm) que ejerce la parte slida del suelo sobre el agua de los poros.La resistencia a la tensin del agua es de 2000 MN/m2.La presin de succin se mide con una escala logaritmica que es el potencial capilar:pF = log hc = log S pF = Potencial capilar que varia de 0 a 7.Luego la succin mxima ser:PF max = 7 ( H = 100 km 107)Succin o potencial capilarEn una muestra se suelo hmedo no sometida a presin exterior el agua intersticial est sometida a una presin inferior a la atmosfrica, se llama succin o potencial capilar al valor de la altura (depresin) S. ligada al ascenso capilar.La succin supone aumento del contenido de humedad en un suelo contenido lateralmente o es una dispersin si esta libre para diluirse.La succin humedece un suelo en ausencia del campo gravitatorio impidiendo el drenaje de suelos plsticos.

SuccinProcedimientos para medir la succin:Medidas de una presin o de una depresin impuesta a la fase lquida de la muestra y medida de su humedad de equilibrioMedidas de la humedad de una muestra colocada en equilibrio en un recinto cuya atmsfera tiene una humedad relativa conocida.Medidas de la reduccin del punto de congelacin del agua del suelo respecto al agua libre.Procedimiento de placa de succin para medir pF

Relacin entre succin y humedad en un arcilla

FiltracinEs el flujo del agua a travs del suelo.El agua flucta con el tiempo y las estaciones y a medida que cambia puede cambiar la resistencia o el volumen del suelo.La energa que posee una partcula de agua esta en tres formas:Energa potencial: por su alturaEnerga de presin: por la presinEnerga cintica: debida a la velocidad, es cero por que la velocidad que fluye el agua es muy baja.

Energa del aguaLa energa el agua se expresa como carga.Esta energa debe referirse sobre un plano de referencia arbitrario.La carga que posee el agua en los suelos se representa por la altura h, a la cual asciende el agua en un pequeo tubo con relacin al plano de referencia.Esta altura a que el agua asciende se llama nivel piezomtrico o nivel fretico y es una medida de todas la energa que tiene el agua.Energa del aguaSi en dos puntos diferentes de una misma masa continua de agua hay cantidades diferentes de energa, habr un movimiento de las partculas de agua hacia los puntos de menor energa y la diferencia de carga se gasta en el trabajo de mover el agua.La ley de Darcy (coeficiente de permeabilidad) expresa la prdida de carga.Carga y prdida de carga

Flujos de aguaFlujo Turbulento: Movimiento catico, irregular a velocidades altas, conductos de gran dimetro, prdidas grandes de energa, prdidas de energa proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo.Flujo Laminar: Movimiento suave, baja velocidad, conductos pequeos, prdida de energa proporcional a la velocidad. Es caracterstico de todos los suelos excepto las gravas gruesas.

Flujos de aguaLa distincin entre ambos flujos se realiza segn el nmero de Reynolds:R = vd//Donde :d: dimetro de los granos : coeficiente de viscosidad del agua : densidad del aguav: velocidad de filtracin del aguaSe dice : Turbulento R > 10 Laminar R < 10Presin de poros U y potencial P en el sueloLas leyes que gobiernan el flujo de agua son anlogas a las del flujo elctrico. Serequiere, en ambos casos, de un gradiente de potencial, que oriente las fuerzas del sistema.La presin de poros U = w. h es la presin intersticial, por debajo del NAF.El potencial P = h + Z = U/ w + ZMide la energa del sistema Si existe gradiente en el campo, se da flujo

PermeabilidadEs el flujo de agua a travs de los poros de un suelo. Prueba sencilla para determinar la permeabilidad

Coeficiente de permeabilidad o de conductividad hidrulicaEs una constante que expresa la facilidad con que el agua atraviesa el suelo.Se expresa en cm/seg m/da.Esta constante se halla de la formula de gasto de agua;Q = q = KiA (Ley de Darcy) donde: K = Coeficiente de permeabilidadq = gasto de agua en cm/ seg o caudal.i = Gradiente hidrulico = h / L h = Diferencia niveles del aguaA = rea del suelo o seccin de paso.Coeficiente de permeabilidadLa frmula anterior es correcta en flujos laminares y se aplica a todos los suelos ms finos que las gravas y siempre que el gradiente hidrulico sea menor a 5.Es aplicable para valores R < 10

Coeficiente de permeabilidadLa magnitud del coeficiente depende de los siguientes factores:Viscosidad: Esta en funcin de la T , a mayor temperatura menor viscosidad alta permeabilidad.Tamao y forma de los conductos: Es poco especfico y no se ha encontrado una expresin matemtica para el efecto de estos factores. En suelos limpios no cohesivos la permeabilidad vara aprox. Como (D10), Para arenas limpias: k = C ( D10)

Coeficiente de permeabilidadRelacin de vacos: La permeabilidad es aprox Proporcional a e en la mayora de los suelos.Forma de los granos y la graduacin: Son importantes en los suelos gruesos pero nos e pueden expresar cuantitativamente.Grado de saturacin: El aire de los poros reduce el rea transversal y hasta puede obstruir completamente algunos poros.

Coeficiente de permeabilidadMinerales arcillosos. El agua absorbida esta tan fuerte adherida a la superficie de la arcilla que no se puede mover de una partcula a otra a no ser que haya gradientes muy altos.La permeabilidad de una arcilla homognea es corrientemente mucho menor que la sugieren el tamao de los granos o la relacin de vacos.Gradientes: si la gradiente es bajo la permeabilidad es cero, si la gradiente aumenta la permeabilidad aumenta.Tortuosidad: (CT)

Ensayos de PermeabilidadExisten dos tipos de ensayos:En el Campo:De Lugeon, Lefranc y SchneebeliEn el laboratorio: - Carga constante en suelos granulares - Carga variable en suelos cohesivos

Permeabilidad de carga constante Este ensayo se encuentra estandarizado por la ASTM D-2434.El ensayo de Carga constante nos permite determinar el coeficiente de permeabilidad en suelos granulares.El coeficiente de permeabilidad es una constante de proporcionalidad relacionado con la facilidad de movimiento de flujo a travs de un medio poroso. Este ensayo es de mucha utilidad en el diseo de filtros para el caso de presas.

Permemetro de carga variable

Permeabilidad con permemetro de pared flexible Permite determinar el coeficiente de permeabilidad en suelos, los permemetros usados en estos ensayos son las celdas del banco triaxial.Las ventajas de usar permemetros de pared flexible son: Saturacin completa de la muestra gracias a la contrapresin de la celda, la saturacin del espcimen puede ser confirmada mediante el parmetro B, se pueden controlar los ideales esfuerzos principales, se realizan ensayos ms rpidos en suelos de baja conductividad.SE usan si se requieren con mayor exactitud los parmetros de conductividad de un suelo.

Ensayos de permeabilidadSegn la naturaleza del terreno y el mtodo de perforacin adoptado: Los ensayos Lefranc, en terrenos No cohesivos Los ensayos Lugen, en las rocas duras El principio de estos ensayos es idntico. Consiste en inyectar agua en el terreno a travs de una porcin conocida de la perforacin llamada tramo o bolsa. Pero la experiencia demuestra que cuando sea posible es preferible extraer el agua del sondeo por bombeo. Ensayos de permeabilidadLefranc ha calculado por este procedimiento la permeabilidad de las arenas finas de Tnez y Lugen que sirven de asiento a unas grandes presas. El anlisis matemtico del fenmeno es el mismo en los dos casos. Permite determinar el coeficiente de permeabilidad del terreno homogneo que presenta el mismo comportamiento hidrulico que el terreno real. Este no es casi nunca homogneo, incluso aunque este constituido por aluviones. Si se trata de un macizo rocoso es preciso que la fisuracin sea abundante para que la asimilacin sea aceptable, por consiguiente, los resultados que se obtienen no son perfectos, pero s suficientes para las necesidades prcticas. Ensayo de permeabilidad LugeonObturadores de goma a presin suministrados por COMERSON. Juego de medidores manomtricos intercambiables con esfera de glicerina y bombas ABELLA y ROYAL BEAN

EQUIPOS QUE SE USAN

Ensayo de permeabilidad Slug-test: Obturadores de cmara hinchable y bomba hidrulica manual. Clula presiomtrica de precisin y datalogger conectados a un programa de captura de datos soportado en un PC portatil.

Variaciones de k en una masa de sueloSe da por los siguientes factores:Direccin del movimiento de agua: Cuando es paralela a los planos de estratificacin k es de 2 a 3 veces mayor que en la direccin normal a dichos planos.Lentes de diferentes tipos de suelos: causan variaciones en k por tipo de litologa, mineralizacin.

Variaciones de k en una masa de sueloOrientacin de las partculas: Afectan a k por la orientacin con respecto al movimiento del agua.Grietas, fisuras, discontinuidades: La permeabilidad es mucho mayor que la roca intacta.Vetas cementadas: producen permeabilidad efectiva baja.Se deben realizar mayor nmero de ensayos en diferentes direcciones si se quiere tener un valor real del k.ProblemaSe construye un canal paralelo a un ro como se ve en la figura, si la arena que se muestra presenta una conductividad hidrulica d k = 0.0065 cm/seg. >calcular cul es la prdida de agua que tendr el canal por infiltracin en cm3 /seg.Km.Aplicando la ecuacin:Q= A.k.i.t se tiene: t = 1,0 seg, k= 0,0065 cm/ seg.A = 1,50 x 100 m = 150 m2 1500000 cm2i = h/L = 20 m/100 = 0,2Q = (1500000) (0,0065) (0,2) (1)Q = 1950 cm3/seg/km.Figura cota 605Cota 600 Arcilla cota 580 Impermeable Arena 1,50 m Ro Canal 100 m.ProblemaDeterminar las presiones totales, neutras y efectivas o intergranulares en los planos A, B,C y D mediante los datos de la estratigrafa siguiente. Calcule y tome en cuenta la ascensin capilar considerando el valor de N = 0,3 y D10 = 0,0005 mm. 2 m gravas,arenas Da=2,6 =4% e= 0,9 IA7,5m Arcilla CL Da=2,7 e=080 D10= 0,0005mm LL= 45% LP= 25% IP= 20% IIBNF4,0 m Arena limosa e= 0,656 Da= 2,6 = 25% IIIC3,0m Arcilla CH Da=2,72 = 12% e= 0,48 IVDsolucinCalculando la ascensin capilar: hc = N/eD10 = 0,3/(0,8)(0,0005) = 0,3/ 0,0004 = 750 cm.El estrato I presenta un peso volumtrico hmedo de: h= (Da/1 + e)(1 + /100)= (2,6/1,9)(1,04) = 1423 kg/mEl estrato II presenta un peso volumtrico saturado de : Sat = Da + e/1 +e = 2,7 +0,8/1 + 0,8 = 1944 kg/mEl estrato III presenta un peso volumtrico saturado:Sat = Da + e/1 +e = 2,6 +0,65/1 + 0,65 = 1970 kg/mEl estrato IV presenta de todas maneras un peso volumtrico hmedo por ser un manto colgado: h= (Da/1 + e) ( 1 + /100)= (2,72/1,48 )(1,12)= 2058 kg/m

solucinLas presiones son:En el plano A = (1423)(2) = 2846 kg/mu= -w.hc = -1000 x 7,5 = -7500 kg/m= 2846 (-7500) = 10346 kg/mEn el plano B:= 2846 + (1944)(7,50) = 17426 kg/mu= 0= 17426 -0=17426 kg/msolucinEn el plano C:= 17426 +(1970)(4) = 25306 kg/mu= 1000 x 4 = 4000 kg/m= 25306 4000= 21306 kg/mEn el plano D:= 25306 + 2058(3) = 31480 kg/mu= 0= 31480 kg/mRED DE FLUJOEl flujo de agua en un suelo saturado se puede representar por unas lneas de flujo y equipotenciales.El esquema de las lneas de flujo y equipotenciales se denominan red de flujo.Es una herramienta importante para la solucin de los problemas de filtraciones de agua. Existen tambin soluciones analticasRed de flujo por debajo de un tablestacado

RED DE FLUJOLas lneas de flujo: Son los caminos que toman las partculas de agua en movimiento. Son lneas curvas que tienen algn paralelismo. En muchos casos las curvas son segmentos de elipses o de parbolas.Las lneas equipotenciales son lneas en las cuales todos los puntos tienen igual carga. Son curvas de nivel de igual energa.Las lneas de flujo cortan en ngulo recto las lneas equipotenciales.RED DE FLUJOEl espacio entre cualquier par de lneas de flujo es un canal de flujo. Nf = Nmero de canales de flujo.La prdida de carga entre cualquier par de lneas equipotenciales es la cada equipotencial h. ND= No de caidas equipotenciales.El ancho de flujo es a y la distancia entre las lneas equipotenciales b. ( la tercera dimensin es 1)Significacin fsica de la red de flujo

Construccin grafica de una red de flujo1. Hacer dibujo a escala que muestra los lmites permeables y los lmites impermeables que limitan el flujo.2. Dibujar 2 a 4 lneas de flujo que forman ngulos rectos con los limites permeables y que sean aprox. Paralelas a los lmites impermeables.3. Dibujar lneas equipotenciales que formen ngulos rectos con las lneas de flujo de manera que el ancho y largo de cada figura sean iguales.4. Reajustar las lneas de flujo y las equipotenciales hasta que todas las intersecciones sean ngulos rectos y el ancho y largo de cada figura sean iguales.Pasos en la construccin de una red de flujo

Red de flujo con una superficie libre

Interseccin de la lnea de filtracin y de la red de flujo con el paramento de un terrapln adyacente al nivel de aguas abajo

Gasto total de la RedExiste un gasto de agua por efecto de la filtracin el cul se halla por la ecuacin:q = K h Nf / ND Donde :Nf = No de canales de flujoh = Prdida de carga o diferencia de niveles del agua.ND = No de cadas equipotenciales.ProblemaCalcular el gasto de filtracin bajo la presa de la figura si k = 0,00015 cm/seg y los niveles del agua sobre la base de la presa son: aguas arriba 18,30 y aguas abajo 6,10 m. La longitud de la presa perpendicular a la direccin del flujo es 259 m. FiguraSolucin:De la Red de flujo tenemos : Nf = 3 y ND = 9,5q por metro = 0,00015 x 3 /9,5 ( 18,30 6,10)q por metro = 0,00578/100 m3/ segq = 0,00000578 x 60 x 259 = 0,09 m/minEfectos de la filtracinLa filtracin no controlada es la causa de dos tipos de dificultades:Demasiada filtracin: Las excavaciones son excesivamente hmedas o se producen prdida de agua en las presas.Presin de agua excesiva: produce levantamiento o la prdida de resistencia del suelo y la falla del mismo por la subpresin del agua.Subpresin en una estructuraCuando la subpresin en la base de una estructura excede el peso de la misma y a las cargas que soporta la estructura se levantar. Los pisos de los basamentos o stanos se levantan y a veces estallan como si hubiesen sido dinamitados cuando estn sometidos a una subpresin excesiva.Subpresin y contacto con una estructura

Levantamiento de un sueloLa subpresin se desarrolla dentro de la masa de un suelo en forma anloga a como ocurre entre el suelo y una estructura.Este tipo de levantamiento puede ocurrir en cualquier punto en que = u o sea si una fuerza hacia arriba en un rea A es igual o excede a la carga total P de suelo, agua y estructura (concreto o fierro).Se crea una zona de inestabilidad o de falla potencial.Evolucin del levantamiento y la agitacin

Levantamiento de un sueloSi el rea es suficientemente grande cualquier exceso de presin de agua forzar la masa suprayaciente de suelo y agua a levantarse, este es el proceso de levantamiento.Pueden ocurrir en estratos de arena o de limo o cualquier suelo.Ahuecamiento y agitacin de un sueloEl suelo se expansiona con una reduccin en la relacin de vacos y en algunos casos se forma una vejiga de agua dentro de la masa de suelo.El techo de la vejiga cae en el fondo de la misma y por este proceso de ahuecamiento la vejiga se eleva hasta la superficie.FiguraLa superficie del suelo se comba hacia arriba y estalla cuando la vejiga llega al tope, finalmente el suelo se agita y burbujea en un hervor o agitacin como si estuviera cociendo.Este proceso esta limitado a suelos no cohesivosAhuecamiento y agitacin de un sueloCuando el suelo no es cohesivo el levantamiento va acompaado de la condicin de suelo movedizo.Si la presin de agua u es uniforme hacia arriba el levantamiento se desarrolla uniforme sin la formacin de la vejiga.Cuando la subpresin y el esfuerzo total parecen estar equilibrados o cuando u es ligeramente menor que , la masa puede parecer falsamente estable.Gradiente crtico (ic)Es el gradiente hidrulico que produce el levantamiento o al agitacin cerca de una superficie de suelo que no esta impedido de moverse. Segn la figura anterior a para el flujo ascendente:ic= h/z = - w/ wPara un flujo hacia una superficie inclinado el valor de ic es menor.

Gradiente crtico (ic)Si la inclinacin de la superficie es igual al ngulo de friccin interna el gradiente crtico para la filtracin hacia la superficie tiene que ser cero.Asimismo Terzaghi ha establecido que el levantamiento no se produce ordinariamente a menos que la inestabilidad ocurre en un ancho de D/2 siendo la profundidad D del suelo sobre el nivel de inestabilidad Figura bSifonamiento o tubificacinEs el proceso de erosin hacia atrs en la abertura de un suelo.El suelo dentro de la zona de agitacin es arrastrado por la corriente de agua formando un hoyo o abertura.Esto produce una concentracin de agua en el hoyo y aumento en su gradiente hidrulico ( se acorta el camino del flujo) por esa razn la agitacin se hace mas intensa y el hoyo ms profundo en direccin de donde viene el agua.Tambin empieza por agitaciones localizadas o concentraciones de flujoSifonamiento debajo de una presa de mampostera cimentada en arena

Sifonamiento o tubificacinA veces se produce sifonamiento debido a pequeos gradientes.Se han producido extensas cavidades donde los estratos de suelo cohesivo soportan el resto de la masa de suelo. Figura Los suelos no cohesivos ( arenas finas y los limos) son las ms susceptibles a la falla por sifonamiento.Las arcillas son mas resistentes pero no inmunes.En areniscas pobremente cementadas algunas veces se presentan sifonamiento.En las lutitas se producen sifonamiento cuando las gradientes son altas. Efecto del hieloCuando la T permanece por debajo de 0 C por un periodo de tres o cuatro das, la humedad del suelo en la superficie del terreno se congela.Cuando es ms larga e intensa la T fra a mayor profundidad se extiende la congelacin.El resultado de la congelacin es el levantamiento de la superficie del terreno conocido como levantamiento por congelacin.Formacin de lentes de hielo en la zona de congelacin

Efecto del hieloEste levantamiento es perjudicial en los pavimentos de las carreteras y aeropistas por que se construyen directamente sobre la superficie del terreno, produciendo combaturas u ondulaciones en la superficie y grietas en las losas.Efecto del hieloLa accin de las heladas tambin producen deshielo debajo de los pavimentos o aeropistas, que se produce por el cambio de T, al subir la T el hielo se descongela haciendo que el agua brote por las juntas de expansin, forme huecos y puede producir falla al sufrir un aumento de tensin en su superficie (camiones pesados).Efecto del hielo.

Un suelo uniforme es susceptible a la accin de las heladas si ms del 10% en peso de sus partculas son mas finas que 0,02 mm.Un suelo de buena graduacin es susceptible si ms del 3% de sus granos finos son ms finos que 0,02 mm.Los suelos de grano grueso arena y grava sin finos rara vez son susceptibles a formar lentes de hielo y al levantamientoLas arenas finas y los limos son susceptibles a levantamientos..

Posible accin de las heladas en los suelos (SUCS)Clase suelo Posible accin de las heladasGW Ninguna a muy ligeraGP Ninguna a muy ligeraGM Ligera a medianaGC Ligera a medianaSW Ninguna a muy ligeraSP Ninguna a muy ligeraSM Ligera a altaSC Ligera a altaML Mediana a muy altaCL Mediana a altaOL Mediana a altaMH Mediana a altaCH MedianaOH MedianaPt LigeraProfundidad de penetracin de la heladaCuanta ms baja es la T del aire y largo el lapso de permanencia por debajo de = C mayor es la profundidad de la lnea de congelacin, cuanto mayor sea la conductividad trmica del suelo, mayor ser la profundidad de penetracin de la helada.Proteccin contra los daos de las heladasUna de las formas parar prevenir el levantamiento por congelacin es remover el suelo susceptible a las heladas hasta la profundidad de penetracin de las heladas y sustituirlo por otro suelo que no sea afectado por las heladas.Otra forma es el control de las ascensin del agua del nivel fretico.Otra forma es colocar una capa impermeable de asfalto, de plstico o de bentonita para impedir el movimiento ascendente del agua dentro de la zona de penetracin de las heladas.Proteccin contra los daos de las heladasSe pueden colocar capas de suelos de grano grueso como arena gruesa limpia, grava o roca triturada ( sin finos) colocadas por encima del nivel fretico, son efectivos por que rompen la tensin capilar, deben estar protegidos por filtros y deben drenar.Adems se pueden usar capas aislantes entre la superficie del terreno y el suelo susceptible reduciendo la penetracin de la lnea de congelacin.Regulacin de las filtracionesPara regular las filtraciones se debe reducir el gasto, reducir la presin del agua o aumentar la carga para resistir la presin del agua.Para reducir el gasto se debe disminuir la permeabilidad se puede realizar mezclando una pequea cantidad de arcilla con la arena para la construccin de un dique.Se puede usar agentes dispersantes como el tetrafosfato de sodio mezclado en la superficie de una arcilla de estructura floculada, tambin se puede usar productos qumicos o cemento en los poros de un suelo de grano grueso.Medidas para regular el flujo de agua

Regulacin de las filtracionesPara reducir el gasto, se debe alargar el recorrido del flujo por medio de un ncleo impermeable en una presa de tierra o una zanja de impermeabilizacin en una cimentacin permeable de una presa que aumentan el recorrido del agua Figura 3, Es tambin til una capa o manto impermeable de arcilla colocada aguas arriba Figura 4, adems son tiles los agujeros de descarga Figura 5FiltrosEs cualquier material poroso cuyos huecos sean tan pequeos para impedir el arrastre del suelo hacia dentro del desage o dren y que sea permeable para que ofrezca poca resistencia a la filtracin.El filtro efectivo es aquel que retiene las partculas D85 y mayores.Un suelo se usa como filtro cuando tiene el dimetro efectivo de sus poros menor que D85 del suelo que se vaya a filtrar.Filtro protector

FiltrosComo el dimetro efectivo es alrededor de 1/5 D85 se tiene que: D15 ( flitro) 5D85 (suelo)Si el filtro es para proporcionar un drenaje libre debe ser mucho ms permeable que el suelo se usa la sgte. relacin: D15 (filtro) 5 D85 (suelo)Este criterio se usa para proyectar filtros.

DrenajeSignifica eliminar el agua del suelo.Los objetivos que persigue son:1.Impedir que las filtraciones vayan acumularse.2.Mejorar las propiedades del suelo como aumento de la resistencia o una reduccin de la compresibilidad.3.Reduce la presin del agua en el suelo.

DrenajeEste se produce por:1.Resistencia ala filtracin: Coeficiente de permeabilidad.2.Efecto del drenaje en la estructura del suelo, si el suelo es incompresible, la prdida de agua ser reemplazada por aire en los poros.Si el suelo es compresible, la prdida de agua estar acompaada por la consolidacin del suelo y permanecer parcialmente saturado.3.Fuerzas que retienen el agua : capilaridad y absorcinDrenajePara que se pueda eliminar el agua del suelo es necesario que la fuerza que produce el drenaje sea mayor que las de retencin y resistencia al flujo.La facilidad de drenaje de un suelo y las fuerzas que son efectivas para producir el drenaje se pueden estimar por ensayos de permeabilidad, consolidacin y retraccin en el laboratorio.La distribucin de los granos por tamao nos ofrece alguna indicacin de las propiedades del suelo para el drenajeCapacidad de drenaje de los suelos

Drenaje potencial de los suelos (SUCS)Clase de suelo Caractersticas de drenajeGW ExcelenteGP ExcelenteGM Regular a impermeableGC Pobre a impermeableSW ExcelenteSP ExcelenteSM Regular a impermeableSC Pobre a impermeableML Regular a pobreCL ImpermeableOL PobreMH Regular o pobreCH ImpermeableOH ImpermeablePt Regular o pobre Colocacin del Sistema de drenajeDepender de la forma del flujo inicial.Son posibles tres ubicaciones del drenaje como se muestra en la figura:Interceptor, en el mismo lugar y aguas abajo.

Plan de drenaje

Colocacin del Sistema de drenajeUn dren completo tiene tres componentes: el filtro, el conducto o colector y el sistema de eliminacin.El filtro es permeable y es la clave del xito del sistema de drenaje.El conducto recoge las aguas del filtro y los conduce hacia fuera puede ser una zanja o tubo ( de 8 10 mm).El sistema de eliminacin saca agua del lugar ya sea por gravedad o bombeo.

Tipos del Sistema de drenajeDrenes abiertos: Zanja, cuneta o fosa colectorDrenes cerrados: Se colocan en las zanjas tubos perforados recubiertos por una o dos capas de material filtro. Los tubos se colocan en lneas rectas.Drenes en manto: Se emplean debajo de las presas y los pisos de los basamentos y los pavimentos. El manto consiste en una capa de filtro en contacto con el suelo y una capa colectora mas gruesa que tambin sirve como un segundo filtro y una `ultima capa en contacto con la capa inferior de la presa.Drenes cerrados

Tipos del Sistema de drenajePozos profundos: drenaje temporalPozos horizontales: drenaje laderas.Pozos filtrantes: Suelos de permeabilidad alta y medianaConstruccin e instalacin de pozos filtrantes

Sistemas de etapas mltiples en pozos filtrantes

Drenaje por consolidacin, acelerado por drenes verticales de arena y sobrecarga

Efectos desfavorables del drenaje.Cuando se emplea el drenaje para resolver problemas de mucho agua o presin excesiva se pueden crear nuevos problemas. Al reducirse el esfuerzo neutro se aumenta el esfuerzo efectivo y la resistencia del suelo y el aumento de esfuerzo efectivo produce consolidacin y si hay estratos compresibles se pueden producir asentamientos en las estructuras ubicadas dentro de la zona de depresin del nivel de agua.Efectos desfavorables del drenaje.Pueden mejorar temporalmente su resistencia las arenas por el aumento de su esfuerzo efectivo permitiendo realizar excavaciones con taludes pequeos, pero al aumentar los taludes y el tiempo, la arena se seca y se produce el derrumbe de los taludes.El drenaje sin filtros adecuados puede producir sifonamiento y hasta cavidades en el suelo.

Ensayo de Carga ConstanteNorma ASTM D2434
L: altura de la muestraA: Seccin de la muestraH: Diferencia de carga hidrulicaV: Volumen de agua medidot: tiempo del ensayo

Ensayo que requiere un gran caudal de agua para obtener resultados precisosSuelos de baja permeabilidad (limos, arcillas):Tiempo de ensayo muy prolongado (saturacin de muestra, establecimiento de flujo, volumen de agua medible)Gasto de agua excesivoEnsayo recomendable para suelos de alta permeabilidad (arenas y gravas)

Valores de Permeabilidad (Terzaghi & Peck, 1967)