propiedades hidraulicas de los suelos

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