Mecánica de suelos I

1.- OBJETIVO GENERALComprender la importancia de la cantidad de agua en el suelo.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar la humedad natural que traen los suelos y las impurezas inorgánicas y orgánicas de estas.

2.- MARCO TEORICO

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA

Estructura molecular: H2O Es eléctricamente neutra. Posee un momento bipolar al estar desplazados los centros de carga positiva y

negativa y no ser simétrica la molécula. Las moléculas de agua interaccionan entre ellas y con otras partículas cargadas. Las moléculas de agua se unen por medio de puentes de hidrógeno, lo que explica

que sea un líquido a las temperaturas más frecuentes en el suelo, a pesar de su peso molecular poco elevado.

Propiedades térmicas Calor específico elevado, lo que establece una marcada diferencia en la capacidad

calorífica entre suelos secos y húmedos. Punto de fusión elevado, debido a los puentes de hidrógeno entre moléculas de

agua en estado sólido. Calor latente de fusión elevado. Calor latente de vaporización muy elevado.

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Propiedades mecánicas Densidad relativamente baja, mayor en fase líquida que en la sólida. Es máxima a

4 ºC

Viscosidad y fuerzas moleculares dentro del fluido.

Presión osmótica, π: función del contenido de solutos.

Fenómenos capilares Tensión superficial, σ: influye en gran manera en el comportamiento del agua en el

suelo en las interfaces. Curvatura de la superficie libre: en función de los radios de curvatura y la tensión

superficial, la fórmula de Laplace permite calcular la presión total. Angulo de contacto del menisco (α) con las superficies sólidas.

(α < 90º en superficies hidrófilas; α > 90º en superficies hidrófobas)

Ascenso capilar: esquemáticamente, algunos poros del suelo se pueden asimilar a tubos capilares, lo que no deja de ser una simplificación, quizás excesiva. De acuerdo con la ley de Jurin:

ΔP = - 2σ / Rρw = 2σ cosα / r

ΔP = diferencia de presión a través de la interfase aire-agua en un capilar del suelo. Define la altura máxima de ascenso.

σ = tensión superficial (energía potencial de la interfase)

R = radio de curvatura (m)

R = r/(cosα)

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r = radio del capilar (m)

ρw = densidad del agua (kgm-1)

Zc = altura máxima de ascenso

Zc = 2 σ / ρw g r

Para el caso de mojadura completa (interface semiesférica), caso del vidrio y el agua y también normalmente en el suelo:

α = 0º cosα = 1 ΔP = - 0,14 / r N m-2 a 20 º C

Solubilidad de gases y sólidos.

Propiedades del agua cerca de las superficies sólidas cargadas eléctricamente.

ESTADO ENERGÉTICO DEL AGUA DEL SUELO.

La energía asociada al agua del suelo es una medida de las fuerzas a las que está sometida y tiene incidencia sobre:

Disponibilidad de agua para las plantas. Movimiento del agua en el suelo. Propiedades mecánicas del suelo.

Fuerzas actuantes

Fuerzas derivadas del campo gravitatorio

Ley de Newton de la gravitación.

F = G m M / x2

F = fuerza de atracción

G = constante universal de gravitación

m, M = masas que se atraen

x = distancia entre las masas

Fuerzas gravitatorias: F = m x g

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Fuerzas derivadas de iones en solución:

Los iones en solución atraen moléculas de agua por su carácter bipolar y se hidratan.

Las propiedades termodinámicas del agua se ven afectadas.

Disminuye la energía potencial del agua.

De importancia en suelos salinos y en cultivos hidropónicos.

Fuerzas externas ligadas a:

La matriz en suelos de matriz no rígida debido a la presencia de arcillas expandibles, que hacen variar la geometría de los huecos y el ángulo de contacto en las interfases con el agua.

La presión de gases sobre el agua.

La presión hidrostática en suelos saturados de agua.

Fuerzas derivadas de la matriz

Fuerzas de adhesión. Se originan en la superficie de las partículas sin carga y son: De origen molecular (fuerzas de van der Waals y puentes hidrógeno). De corto alcance pero de gran intensidad. Retienen una capa cuyo espesor es de unas decenas de moléculas de

agua, que forman una película alrededor de las partículas sólidas. La cantidad de agua retenida de esta forma es pequeña.

Fuerzas debidas a efectos capilares (fuerzas de cohesión). Son debidas a las uniones entre moléculas de agua mediante puentes de

hidrógeno. Hacen engrosar la lámina de agua adsorbida, a la que se unen y rodean. Agua retenida con poca intensidad: absorbible por las plantas. Predominan en materiales arenosos.

Fuerzas de difusión. Agua asociada con los iones y con superficies sólidas cargadas

eléctricamente debido a la naturaleza bipolar del agua.

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La doble capa difusa actúa a modo de membrana semipermeable, confiriendo propiedades inusuales al agua cerca de la capa: menor densidad.

Fuerte influencia de la superficie específica de la partícula, de su densidad de carga eléctrica y de la naturaleza de los cationes de intercambio.

RETENCIÓN DEL AGUA EN EL SUELO

Curva característica de humedad

Suelo → capaz de retener agua → potencial matricial está relacionado con el contenido de humedad → función característica de humedad o función potencial matricial-contenido de agua.

Es función que depende de:

Sentido en que tiene lugar el cambio en el contenido de agua (humectación o desecación). Velocidad de cambio. Estabilidad en el tiempo de la estructura, así como tamaño, forma y conexión entre

huecos. Los cambios de volumen del suelo; expansión-retracción. Condiciones en la interfase agua – aire.

Esta relación no es unívoca La curva obtenida de una muestra saturada de agua no coincide con la determinada a partir de una muestra seca y se pone de manifiesto al obtener dos ramas de la curva por efecto de histéresis:

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La historia de la muestra influye sobre la situación final de equilibrio.

El efecto de histéresis es más pronunciado en suelos de textura gruesa a potenciales altos, los poros se vacían a potenciales mucho menores a los que se llenan.

Causas:

Falta de uniformidad en la geometría de los poros individuales, que se manifiesta en el denominado efecto botella de tinta

Carácter compuesto del sistema de poros:

Poros interagregados: condicionan la rehumectación.

Poros intragregados: condicionan la desecación.

La penetración de agua resulta más lenta en un horizonte arenoso que en uno de textura más fina.

Efecto del ángulo de contacto en las interfases:

Meniscos que avanzan: ángulo de contacto y radio de curvatura mayores.

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Meniscos que retroceden: en la deserción el potencial matricial será menor que en la humectación.

Aire atrapado dentro de los agregados:

Hace disminuir el contenido de agua en suelos recién humectados: no se alcanza un verdadero equilibrio.

Fenómenos de expansión retracción:

En suelos expandibles varía la geometría del espacio de poros, de distinta manera según la historia de la humectación.

En sentido estricto no se trata de un fenómeno de histéresis, ya que hace cambiar la geometría del espacio de poros.

Principales factores

Estructura:

Espacio de poros:

A potenciales altos la retención de agua se ve muy influenciada por la estructura (distribución de tamaño de poros), por lo que hay que trabajar con muestras inalteradas.

A potenciales bajos predominan las fuerzas de adhesión, por lo que influirá la superficie específica de las partículas y mucho menos la estructura. Se puede trabajar con muestras tamizadas a 2 mm.

Compactación:

Disminuye la porosidad total y, en especial, la proporción de los poros de mayor tamaño.

Textura: hace variar la forma de la curva.

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CAPACIDAD DE RETENCIÓN DE AGUA DISPONIBLE (agua útil)

Capacidad de campo:

Contenido de agua en el suelo después de 48 horas de un riego o de una lluvia abundante. Se supone que transcurrido este tiempo empieza un drenaje lento del agua contenida en el suelo.

Se trata en cierta medida del contenido máximo de agua que puede retener el suelo cuando la mayoría de la macroporosidad está ocupada por aire.

Por dificultad de su medida de acuerdo con la definición, se suelen realizar estimaciones a partir del valor del contenido de agua que retiene una muestra de suelo en equilibrio con una presión de 33 kPa, en un equipo de placas depresión. Esto puede conducir a grandes errores, ya que en condiciones de campo influyen las condiciones de drenaje del suelo. Por ello la capacidad de campo debe medirse in situ.

El proceso de drenaje puede representarse, del siguiente modo:

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3.- MATERIALES E INSTRUMENTOS

Se necesita contar con:

MATERIALES

Muestra de suelo Cucharon Bandeja de zinc Cámara fotográfica Palana

INSTRUMENTOS Cápsulas Horno de temperatura constante. Balanza con precisión de 0.01 g.

4.- PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

Se procedió a la toma de muestras en el terreno en las siguientes coordenadas UTM:

19K230511.25 m E8182617.04 m SElevación 2356 m

Se tomo una muestra de 3 kg de suelo de chacra aproximadamente con las siguientes características:

Suelo húmedo. Color marrón oscuro. Con contenido de materia orgánica. Suelo tipo limoso poco arenoso. Con gravas pequeñas angulosas de 1 cm aproximadamente. Con presencia de terrones.

Primero procedemos a calibrar la balanza. Se determinó que el peso del recipiente o capsula vacía es de 38.2 g. Se selecciono una muestra húmeda representativa de 30 g. aproximadamente. Se colocó la muestra húmeda en el recipiente y determinamos así que el peso del

recipiente más la muestra húmeda es de 68.85 g. Después de anotar en el registro, se colocó el recipiente con la muestra en el horno en el

lapso de 15 minutos a una temperatura de 250 °c para un secado más rápido. Por último se determinó el peso de la muestra seca, anotando el valor de 63.8 g. en el

registro. Finalmente se calculó el contenido de agua del material utilizando la siguiente expresión:

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W% = (Ww/Ws)X100

Ww = Wcsh - Wcss

Ws = Wcss – Wc

5.- RESULTADOS

N° 1 2 3 4

PESO DE LA CAPSULA

38.1 g 38.2 g 38.6 g 38.1 g

PESO DE LA CAPSULA + SUELO HUMEDO

82.45 g 68.85 g 67.10 g 95.90 g

PESO DE LA CAPSULA + SUELO SECO

80.00 g 63.80 g 64.50 g 87.70 g

PESO DEL SUELO SECO

41.90 g 25.60 g 25.90 g 49.60 g

PESO DEL AGUA 2.45 g 5.05 g 2.60 g 8.20 g

PORCENTAJE DE HUMEDAD

5.85 19.73 10.04 16.53

6.- CONCLUSIONES

El suelo es un material que tienen características diferentes según la región y las profundidades que se estudian, en el caso nuestro nos demuestra que existen ciertas regiones de ellas poco húmedas lo cual depende directamente del tipo de suelo que habite en ello por lo tanto el porcentaje de humedad de cada capa de suelos define entonces el tipo de suelo y las actividades que se pueden realizar en ello.

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ANEXOS

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Figura 3. Materiales y equipos utilizados

Figura 4. Secado en el horno.

Figura 2. Muestra.Figura 1. Terreno para la toma de muestra.

Figura 5. Pesado de muestra seca.