UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE

“Facultad de Ingeniería Civil”

DOCENTE :

RAVINES AZAÑERO Irene del Rosario

TEMA :

PROPIEDADES HIDRAULICAS DEL SUELO

INTEGRANTES :

BOLAÑOS ALAYA, Alember. CUEVA MENDOZA, Ruben. GUAYAC AYALA Cristian. ORTIZ ACOSTA, Erika Yanina. ROJAS VILLANUEVA, Enrique. YOPLA CULQUI, Ronald.

CICLO :

V

CAJAMARCA-PERU

2016

DEDICATORIA

El presente trabajo lo dedicamos:

A dios, que con su vendita luz nos dio las fuerzas para seguir adelante y poder lograr

nuestras metas.

A nuestros padres, por su infinito e inmenso apoyo y dedicación.

A nuestros compañeros, por su confianza puesta en nosotros para llegar con el

presente trabajo a ellos.

Los Autores

AGRADECIMIENTO

Queremos expresar nuestros más profundos y especiales agradecimientos:

A Dios, por fortalecernos nuestra vida física y espiritual para seguir adelante.

A la Universidad Privada del Norte, en especial a la Escuela de Ingeniería civil y a los

Docentes por brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia

científica en un marco de confianza y amistad, que fue fundamental para la

culminación de este trabajo.

A nuestros padres; por su sencillez, amistada, amor y desinteresado apoyo.

Al docente: Ravines Azañero Irene del Rosario; por su capacidad y experiencia

científica en un marco de confianza y amistad, que fue fundamental en el desarrollo

de clase.

Y de igual forma, nuestros compañeros, por su confianza puesta en nosotros.

Los Autores

INDICE:

DEDICATORIA…………………………………………………………………….1

AGRADECIMIENTO…………………………………………………………...….2

INDICE……………………………………………………………….....3

ÍNTRODUCCION………………………………………………………………………..…….4

MARCO TEÓRICO

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

INTRODUCCION:

CAPILARIDAD:

La capilaridad es un proceso de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular ocohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta

que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo.Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.

Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

Ley de Jurin

La ley define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido y la fuerza de ascensión por capilaridad. La altura h en metros de una columna líquida está dada por la ecuación:

Donde;

La altura capilar de un suelo, se puede estimar hc en centímetros, en función de la relación de vacíos y del diámetro efectivo de las partículas.

Donde;

Capilaridad en suelos:

Al contrario de los tubos capilares, los vacíos en el suelo tienen ancho variable y se comunican entre sí formando un enrejado. Si este enrejado se comunica por abajo con el agua, su parte inferior se satura completamente. Más arriba el agua solo ocupa los vacíos pequeños y los mayores quedan con aire.

El agua capilares la fracción del agua que ocupa los micros poros, se mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión superficial del agua. Es aquella que se eleva sobre el nivel del agua libre gravitacional, es decir por encima del nivel en el cual la presión es igual a la atmosfera. Hasta la zona de aireación no saturada.En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generan la compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, de tal manera que los poros que hayan entre las partes solidas del suelo, sean tan pequeños como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, por lo que estos suelos se utilizan en la construcción cuando se tiene niveles freáticos altos.

Problemas de capilaridad en la construcción

Uno de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se humedece los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por capilaridad a las paredes de la edificación. Generándose problemas en ladrillos y los acabados de la edificación, una solución a este problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática.

En la construcción de calles, carreteras, autopistas, pistas de aterrizaje es importante tener en cuenta el agua capilar existente en el terreno de fundación que queda encima de la napa freática. Una solución al problema es colocar capas granulares sobre la subrasante, lo cual impide la capilaridad del agua freática.

FLUJOS LAMINAR Y TURBULENTO:

Los problemas relativos al flujo de líquidos en general, pueden dividirse en dos grupos principales: los que se refieren a flujo laminar y aquellos que tratan con flujo turbulento.

Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular.

Además un flujo laminar es cuando las líneas de flujo permanecen sin juntarse entre sí en toda su longitud, excepción hecha del efecto microscópico de mezcla molecular. El flujo turbulento ocurre cuando la condición anterior no se cumple. Una línea de flujo se define como la línea ideal que en cada punto tiene la dirección del flujo, en el instante de que se trate; en todo punto el vector velocidad y la línea de flujo que pasa por él, serán tangentes.

El flujo turbulento es más comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.

Se sabe que a velocidades bajas un flujo ocurre en forma laminar, mientras que al aumentar aquéllas se llega a un límite en que se transforma en turbulento; si en ese punto la velocidad se reduce, el flujo volverá a ser laminar, pero la nueva transición ocurre, generalmente, a menor velocidad que la primera. Esto indica la existencia de un intervalo de velocidades en el cual el flujo puede ser laminar o turbulento. Esta velocidad se define como la crítica. Similarmente, existe una velocidad mayor arriba de la cual el flujo siempre es turbulento: en el caso del agua esta segunda velocidad es, aproximadamente, igual a 6.5 veces la velocidad crítica. Reynolds encontró que la velocidad crítica del agua puede expresarse por la ecuación:

Dónde:

Vc = Velocidad crítica, en cm/seg. T = Temperatura del agua, en °C. D = Diámetro de la conducción, en cm

Así, la velocidad crítica resulta ser inversamente proporcional diámetro de la conducción por la que ocurre el flujo. En la figura F-2 se muestra la variación de la velocidad con el gradiente hidráulico en flujo laminar y turbulento. La diferencia principal entre ambos se fundamenta en que el

flujo laminar, la energía disponible se pierde por resistencias viscosas entre las diversas laminas liquidas en deslizamiento relativo.

F-2.- variación de la velocidad con el gradiente hidráulico en el flujo laminar y turbulento

Si una masa de agua fluye con la misma velocidad en cada punto (flujo uniforme) no habré pérdidas de energía, pero esta condición nunca existe en conductos, debido a la resistencia que generan las fronteras, lo cual produce una distribución de velocidades del tipo de la que aparece en la Fig. F-3. En el caso del flujo turbulento, por otra parte, existe una pérdida continua de energía debido a las velocidades diferentes de las partículas adyacentes de líquido aun cuando la masa fluya a velocidad constante. F-3.- Distribución de velocidades en un conducto con flujo laminar

Estrictamente hablando, el flujo turbulento es de por sí, no establecido y no uniforme, ya que existen en él movimientos irrestrictos de masas finitas superpuestas al movimiento del conjunto de fluido. La velocidad media en un conducto en régimen laminar o turbulento es función de la pérdida de carga hidráulica por unidad de longitud (gradiente hidráulico i ). En el flujo turbulento la velocidad es aproximadamente proporcional a √ i y más exactamente a

i 47 En el flujo laminar la velocidad resulta ser proporcional a i, simplemente.

PERMEABILIDAD

Es la propiedad de un suelo que permite el paso del agua a través de el, bajo la aplicación de una presión hidrostática, esto implica una posibilidad de recorrido y exige la existencia de vacíos o huecos continuos.

El agua ejerce una presión sobre el material poroso a través del cual circula, esta presión se conoce como presión de filtración, esto es como un roce que produce el agua con las paredes de los granos o componentes solidos del suelo que conforman los canalillos por los que el agua se mueve.

En esos casos el escurrimiento, filtración o el movimiento de las partículas fluidas, se produce a lo largo de caminos muy ajustados o curvas llamadas líneas de corriente o líneas de filtración invariable en el transcurso del tiempo.

La permeabilidad en una masa de suelo es importante en:

Evaluación de la cantidad de filtración a través de presas y diques, hacia pozos de agua.

Evaluación de subpresion bajo estructuras para un análisis de estabilidad.

Control de velocidad de filtración para evitar erosión de una masa de suelo.

Velocidad de consolidación de suelos.

LEY DE DARCY Y COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

Ley de Darcy

Henry Darcy, Ingeniero Francés en 1856 realizó un experimento sobre el movimiento del agua a través de un medio poroso que se encontraba dentro de una tubería puesta horizontalmente, con la cual analizó el movimiento del agua a través de la arena que actuaba como un filtro de agua, con este estudio Darcy encontró que la velocidad a la cual el agua fluye a través de la arena era directamente proporcional a la diferencia de

altura entre los dos extremos de la tubería e inversamente proporcional a la longitud de esta.

Darcy encontró que para velocidades suficientemente pequeñas, el gasto queda expresado por:

A es el área total de la sección transversal del filtro e i el gradiente hidráulico del flujo, medido con la expresiónLa diferencia h1 - h2 representa la pérdida de energía sufrida por el flujo en el desplazamiento L; esa energía perdida se transforma en calor. Hablando con mayor precisión, debería escribirse:En donde, ϒw es alguna función de la presión, entre un valor inicial p0 y el valor p, a la altura z.

La ecuación de continuidad del gasto establece que

Siendo A el área del conducto y, y la velocidad del flujo. Llevando esta expresión, se

deduce que:

O sea, que en el intervalo en que la ley de Darcy es aplicable, la velocidad del flujo es directamente proporcional al gradiente hidráulico; esto indica que, dentro del campo de aplicabilidad de la ley de Darcy, el flujo en el suelo es laminar.

Coeficiente de permeabilidad

El coeficiente de proporcionalidad en la ley de Darcy se llama conductividad hidráulica o coeficiente de permeabilidad (k)

El coeficiente de permeabilidad tiene las mismas unidades que la velocidad.

Valores orientativos del coeficiente de permeabilidad k para diferentes suelos.

El coeficiente de permeabilidad de un suelo es un dato cuya determinación correcta es de fundamental importancia para la formación del criterio del proyectista en algunos problemas de Mecánica de Suelos y, en muchos casos, para la elaboración de sus cálculos. Hay varios procedimientos para la determinación de la permeabilidad de los suelos: unos "directos", así llamados porque se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de tal coeficiente; otros "indirectos", proporcionados, en forma secundaria, por pruebas y técnicas que primariamente persiguen otros fines. Estos métodos son los siguientes:

Directos: Permeámetro de carga constante. Permeámetro de carga variable. Prueba directa de los suelos en el lugar.

Indirectos: Cálculo a partir de la curva granulométrica. Cálculo a partir de la prueba de consolidación. Cálculo con la prueba horizontal de capilaridad.

Método a partir de la curva granulométrica Prácticamente todos los métodos del tipo en estudio siguen la fórmula clásica de Allen Hazen (1892):

En donde k es el coeficiente de permeabilidad buscado (en cm/seg) y Dl0 (cm) tiene el sentido visto en el capítulo V (diámetro efectivo de Hazen).

Hazen obtuvo su fórmula experimentando con arenas uniformes con diámetro efectivo comprendido entre 0.1 y 3 mm; en estos suelos C varió entre 41 y 146. El valor C — 116 suele mencionarse como un promedio aceptable de las experiencias efectuadas por Hazen.

La temperatura influye, según se verá, en el valor de la permeabilidad, por alterar la viscosidad del agua. Tomando en cuenta ese factor, la fórmula anterior puede modificarse de la siguiente manera:Siendo t la temperatura en °C.

Terzaghi da, para suelos arenosos, la expresión:

Donde,

En donde n es la porosidad y C„ un coeficiente con los valores indicados en la siguiente tabla:

Permeámetro de carga constante

Ofrece el método más simple para determinar el coeficiente de permeabilidad de ese suelo. Una muestra de suelo de área transversal A y longitud L, confinada en un tubo, se somete a una carga hidráulica h (Fig. IX-6). El agua fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad (en cm³) que pasa en el tiempo t. Aplicando la ley de Darcy:

V es la mencionada cantidad de agua.

El gradiente hidráulico medio bale:

Entonces;

Permeámetro de carga variable

En este tipo de permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. En la siguiente figura

aparecen dos dispositivos típicos, el (a) usado en suelos predominantemente finos y el (b) apropiado para materiales más gruesos.

Esquemas del permeametro de carga variable

a) Para suelos finosb) Para suelos gruesos

Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra. Considerando un tiempo dt, la cantidad de agua (cm³) que atraviesa la muestra será, según la ley de Darcy:

Al mismo tiempo, en el tubo vertical, el agua habrá tenido un descenso dh, y el

volumen del agua que atravesó la muestra en el tiempo dt podrá expresarse:

Con el permeámetro de la figura anterior es fácil llegar a la expresión:

Cuando la caída de carga hidráulica sea pequeña en comparación con la carga media usada en la prueba, podrá usarse para el permeámetro de carga variable la fórmula siguiente, con la carga

Considerando que tal carga obró durante todo el tiempo, t, de prueba.

Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos

La permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes tanto al suelo como a características del agua circulante. Los principales de estos factores son:

La relación de vacíos del suelo. La temperatura del agua. La estructura y estratificación del suelo. La existencia de agujeros, fisuras, etc., en el suelo. A continuación se analiza la influencia de cada uno de los factores anteriores. Influencia de la relación de vacíos del suelo Es posible analizar teóricamente la variación del coeficiente de permeabilidad

de un suelo respecto a su relación de vacíos, siempre y cuando se adopten para el suelo hipótesis simplificativas cuyo carácter permita que las conclusiones del análisis den información cualitativa correcta.

La permeabilidad k puede escribirse, en forma desplegada, como: ( ) K´ es una constante real dependiente de la temperatura del agua solamente, que representa el coeficiente de permeabilidad para e = 1.0 y F(e) una función de la relación de vacíos y tal que F(l) = 1.

Influencia de la temperatura del agua Efectuando un análisis teórico, puede verse que, al variar la temperatura manteniendo los demás factores constantes, existe la relación: En donde v es la viscosidad cinemática del agua. Para poder comparar fácilmente los resultados de las pruebas de permeabilidad es conveniente referirlos a una temperatura constante, normalmente a 20°C. Indicando por el subíndice T los resultados obtenidos a la temperatura de la prueba, la referencia se hace aplicando la relación: Experimentalmente se ha encontrado que la anterior relación teórica es correcta para arenas, habiéndose encontrado pequeñas desviaciones en arcillas. Para aplicar la relación es recomendable usar un diagrama que muestre la relación entre la temperatura T de prueba y el coeficiente. Influencia de la estructura y la estratificación Un suelo suele tener permeabilidades diferentes en estado inalterado y remodelado, aun cuando la relación de vacíos sea la misma en ambos casos; esto puede ser debido a los cambios en la estructura y estratificación del suelo inalterado o a una combinación de los dos factores. Como la mayoría de los suelos están estratificados, es preciso determinar el coeficiente de permeabilidad tanto en dirección paralela, como normal a los planos de estratificación. En caso de que los estratos sean lo suficientemente gruesos, puede determinarse la permeabilidad para cada estrato más o menos homogéneo y así poder calcular el coeficiente de permeabilidad medio en cada dirección, para la combinación de estratos.

Influencia de la presencia de agujeros, fisuras A causa de heladas, ciclos alternados de humedecimiento y secado, efectos de vegetación y pequeños organismos, etc., pueden cambiar las características de permeabilidad de los suelos, convirtiéndose aun la arcilla más impermeable en material poroso. El efecto no suele ser muy importante, sin embargo, en las obras ingenieriles, conservando toda su influencia en problemas agrícolas.