12 agua en los suelos

INDICE
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INTRODUCCION
FORMAS EN QUE SE ENCUENTRA
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD (K)
SIFONAMIENTO O EBULLICION
CARGAS DE AGUA
FLUJO UNIDIMENSIONAL
FLUJO BIDIMENSIONAL
METODOS DE SOLUCION DE REDES DE FLUJO
AGOTAMIENTO DE SUELOS
SISTEMA DE REBAJAMIENTO DEL NIVEL FREATICO
SISTEMA DE WELLPOINTS
Indice
•1
EL AGUA EN EL TERRENO
El agua subterránea recurso mineral mas importante
extraído de la tierra( 30% del consumo diario en el mundo)
- Agua fósil : Atrapada en el intersticio de los sedimentos (a menudo salada).
- Agua meteórica : Parte de la precipitación que se filtra
Ciclo: Filtrado - extraída - evaporada - distribuida por el
viento - condensación - vuelve a la superficie del terreno.
Capa freática colgada
Pozo artesiano
Acuifero
Nf principal
acuicluso
acuífero
Acuicluso
Acuicluso
acuífero
acuicluso
Formas en que se encuentra (División arbitraria)
1.- AGUA ADSORBIDA
2.- AGUA CAPILAR
3.-AGUA GRAVITACIONAL
4.-(AGUA DE COMBINACION QUIMICA)
Ej:Al2OnSiO2kH2OForma gral.de las arcillas.
N y k=valores numéricos de ligazón molecular
1.-AGUA ADSORBIDA
PELICULA QUE ENVUELVE LAS PARTICULAS DE SUELO SOBRE LA CUAL
ACTUAN LAS FUERZAS MOLECULARES DE ADHESION
Parte del agua adsorvida no es removida al secar el suelo a 100 C
y por lo tanto para todo efecto practico, se considera que el
grano-película no removida es la partícula de suelo
•2
1.1.-CAMBIOS DE VOLUMEN
1.2.-CAMBIOS DE COHESION
1.3.-CAMBIOS DE ESTABILIDAD MECANICA
1.1.-CAMBIOS DE VOLUMEN
Expansiones y contracciones en el suelo. La textura es
inversamente proporcional a los cambios de volumen.
AGUA HIGROSCOPICA: Es aquella que se condensa en la superficie de las partículas
cuando un suelo seco es expuesto al aire húmedo.
Debido al agua higroscópica el volumen del suelo aumenta
hasta un valor máximo de higroscopía según los siguientes
valores
Arena
1% del volumen del suelo seco
Limo
5% del volumen del suelo seco
Arcilla
20% del volumen del suelo seco
EFECTO DE LOS CAMBIOS VOLUMETRICOS DEL SUELO EN LAS LOSAS DE PAVIMENTO
EJECUCION EN PERIODO SECO
EJECUCION EN PERIODO HUMEDO
LOSA
PAVIMENTO
LOSA PAVIMENTO
expansión
contracción
HUMEDO SE MANTIENE SECO HUMEDO
SECO
SE MANTIENE
HUMEDO
SECO
1.2 CAMBIOS DE COHESION (C)
Para una determinada densidad del suelo
existe una relación inversa entre el valor de la
resistencia al corte y su humedad
Cohesión (Kg/cm2)
γ = cte
La capacidad de un suelo de absorber agua
sin perder su cohesión o pasar al estado
semi-fluido queda expresada por el IP
40
60
80
100
120
140
Suelo inalterado
Suelo remoldeado
W % con respecto a L.L
1.3 CAMBIOS EN LA ESTABILIDAD MECANICA
Los suelos granulares poseen la propiedad de desarrollar estabilidad
interna debido al mutuo soporte de las partículas.
Esta propiedad se puede alterar por la película de agua adsorvida con
un efecto mucho mas importante en los suelos de textura fina que en
los gruesos donde es casi nula.
Ej:
LIMOS CON AGUA<ESTABILIDAD MECANICA Y BAJA CAPACIDAD EN SOPORTE.
•3
(Esta suspendida en el suelo y no escurre
libremente sino que por gravedad)
2.-AGUA CAPILAR
Es aquella que se eleva sobre el nivel de
agua libre gravitacional, es decir por
encima del nivel en el cual la presión es
igual a la atmosférica, hasta la zona de
aireación o no saturada
El comportamiento del agua capilar esta
influido por una serie de factores tales
como la textura, estructura, movimiento
del N.F, etc.
N.T
Zona de aireación
N.F
hc
Agua capilar
Agua libre
VALORES TIPICOS DE hc PARA DIFERENTES SUELOS
250
+300
+500
Limo
Arcilla
Los procesos de adsorción y
capilaridad
corresponden
a
complicados mecanismos físicos
de condensación y evaporación
que se producen en la superficie
de un sólido y en el se establece
un equilibrio entre las fases;
sólida liquida y gaseosa.
200
150
100
50
0
Arena
gruesa
Arena
media
Arena
fina
3.- AGUA GRAVITACIONAL O LIBRE
ES AQUELLA CUYO MOVIMIENTO O ESTADO DE EQUILIBRIO ESTA
DETERMINADO FUNDAMENTALMENTE POR LA ACCION DE GRAVEDAD Y SE
RIGE POR LAS LEYES DE LA HIDRAULICA
PROBLEMAS PRESENTADOS EN EL AGUA LIBRE
1.- Flujo de Agua (Estudio de leyes que rigen su movimiento)
2.- Efecto sobre las presiones efectivas del suelo.
1.- FLUJO DE AGUA
Existen dos tipos de movimientos de agua
i) LAMINAR
ii) TURBULENTO
(<V)
(>V)
El movimiento laminar corresponde a la mayoría de los problemas de flujo de
agua en los suelos. Su estudio se hace aplicando la ley de Darcy.(París 1850).
•4
k= Q
i·A
Donde:
Q : Volumen que se descarga en un tiempo t
i : Gradiente hidráulico
A : sección del suelo en la dirección normal al flujo
piezometros
Línea de energía total
i = h1 - h2
ho
A
Plano de
B
comparación
Línea de
gradiente
hidráulico
suelo
∆h
h1
C
Derrame
D
L
LA PERMEABILIDAD ES LA PROPIEDAD DE LOS SUELOS
QUE TIENE EL MAS AMPLIO RANGO DE VARIACION
k grava limpia = 10 cm/seg = 1010
k arcilla plástica
10-9 cm/seg
Vd = Q = k·i
A
ES LA PROPIEDAD DE UN SUELO QUE PERMITE EL PASO DE UN FLUIDO A
TRAVES DE EL, BAJO LA APLICACIÓN DE UNA PRESION HIDROSTATICA.
1. Evaluación de la cantidad de filtración a través de
presas y diques, hacia pozos de agua
2. Evaluación de subpresión bajo estructuras para un
análisis de estabilidad
3. Control de velocidad de filtración para evitar
erosión de una masa de suelo
4. Velocidad de consolidación
•5
CARGA VARIABLE
CARGA CONSTANTE
Se recoge “Q” en el tiempo “t”
k=
Q·l
A·h·t
(cm/seg)
Q
A
Area “a”
CARGA VARIABLE
V = - dh
dt
Por lo tanto el flujo resultante
hacia la muestra
Por continuidad
h
L
h1
h2
CARGA CONSTANTE
(con dispositivo de rebalse)
qentra = -a·dh
dt
q entra =q sale =>
Separando, integrando y partiendo del
tiempo t1=0 (Cte de integración = 0)
Flujo a través de
la muestra
qsale = A·v=A·k·i
-a dh = A·k·h
dt
L
K= a·L·ln h1
A·t
h2
(CM/SEG)
LIMITACIONES DE LA DETERMINACION DE k EN LABORATORIO
1. SUELO IN-SITU ESTRATIFICADO
2. ESTRUCTURA IN-SITU DISTINTA QUE EN LABORATORIO
3. EFECTOS DE BORDE
4. T => VISCOSIDAD
5. SI k ES MUY PEQUEÑO EXISTE EVAPORACION Y FILTRACIONES EN
EL EQUIPO
6.
EL
GRADIENTE
HIDRAULICO
i=Dh/L
DE
LABORATORIO
GENERALMENTE ES MUCHO MENOR QUE EN TERRENO
7.- OTROS
•6
1. LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO (varia con la temperatura)
2. EL TAMAÑO Y CONTINUIDAD DE LOS POROS Y GRIETAS
A TRAVES DE LOS CUALES PASA EL FLUIDO.
• Tamaño y forma de las partículas
• Densidad del suelo (k varia entre 20 veces γdmax y γdmin)
• Estructura del suelo
3. PRESENCIA DE DISCONTINUIDADES
%Pasa por #100 (en peso)
0
2
4
6
7
K 10-3(cm/seg)(suelo>1”)
30 a 100
3 a 35
1 a 15
0.2 a 6
0.1 a 1
SIFONAMIENTO O EBULLICION
σv`= σv-µ = (a·γw+b·γb+∆qs)-h·γw
a
Si ∆qs=0 y a= 0, c=0
∆ qs
σv`= b·γt - h·γw
i =∆ ht = h-b
b
b
o
h = b (i+1)
h
Suelo
b
A
∴ σ`= b·γt·-b·(i+1)·γw
Si ∃ SIFONAMIENTO σ` = 0
e
i = ic
γt = γw + ic ·γw → ic = (γt - γw) / γw = γb/γw
• El sifonamiento es un estado, no un material
• El i ascensional para que exista sifonamientoen un suelo c =0,
no cargado es igual a:
γb/γw ≈
1
•7
CARGAS DE AGUA
LA FILTRACION DE UN LIQUIDO A TRAVES DE UN SUELO SE DERIVA DE LA RXISTENCIA DE
UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL HIDRAULICO ENTRE DOS PUNTOS DE SU MASA.
El potencial entre cada punto puede establecerse de acuerdo con el teorema de Bernoulli:
h = z + u + v2
γw 2g
v2
2g
Z : altura geométrica
u : presión del liquido sobre la atmósfera
v : velocidad de filtración
Es despreciable frente a los otros dos
i=−
dh
Dh
= − lim
Ds →0 Ds
ds
La diferencia de potencial entre dos puntos
(Dh = ha-hb) genera un gradiente hidráulico,
“i”, en la dirección S:
Por lo tanto Dh/l
A partir de “i“ se puede establecer la ecuación que rige el movimiento del agua en suelo
Kx ⋅
d 2φ
d 2φ
d 2φ
+ Ky ⋅ 2 + Kz ⋅ 2
2
dx
dy
dz
φ= funcion potencial
(Si existe anisotropia)
Para caso plano y terreno uniforme
d 2h
d 2h
+
=0
2
d⋅x
d ⋅ z2
Ecuación de Laplace
(Medio isotropo, bidimensional)
Esta ecuación define dos familias de curvas características, ortogonales entre si: las
líneas de corriente o trayectorias de flujo y las líneas equipotenciales, donde h = cte.
1.- VELOCIDAD a la que escurre el agua a través del suelo (Por ejemplo para
determinar el caudal de fugas a través de una presa de tierra).
2.- CONSOLIDACION
por ejemplo : Calculo de la velocidad del asentamiento.
3..- RESISTENCIA
por ejemplo: Calculo del F.S. de un terraplén.
4.- ALTERACIONES como erosión interna, arrastre de partículas, etc..
FLUJO UNIDIMENSIONAL
En estos casos, el gasto de filtración, el gradiente y la carga en cada punto se
obtienen utilizando la ley de Darcy y otros principios básicos de la hidráulica.
La velocidad de escurrimiento es función de :
- Tamaño del poro
- Posición del poro (distancia entre poros)
En problemas de ingeniería de suelos, el agua se considera que
fluye de A a B según una línea recta con cierta velocidad efectiva.
•8
FLUJO BIDIMENSIONAL
Este problema se presenta en cualquier estructura que tenga contacto
con el agua (presas, puertos, etc.)
En estos flujos, los principios básicos con que se resuelven los
problemas unidimensionales no bastan. Para ello se recurre al
concepto de red de flujo.
RED DE FLUJO
Sistema de cuadrados o rectángulos formados por la intersección de
líneas de flujo y líneas equipotenciales o de igual carga potencial
(perpendiculares).
PROCEDIMIENTOS DE RESOLUCION DE REDES DE FLUJO
Se trata de obtener las dos familias de características. a traves de la
funcion de flujo Ψ (x, z) (que da las líneas de corriente) y la función de
potencial φ (x, z) (que proporciona las equipotenciales)
• Conocidas ambas curvas características se obtiene en cada punto:
- EL POTENCIAL HIDRAULICO
- EL GRADIENTE
- LA VELOCIDAD
- LA DIRECCION DEL FLUJO
- EL CAUDAL UNITARIO DE FILTRACION
SUPERFICIES
EQUIPOTENCIALES
LA EXPERIENCIA LO MUESTRA Y LA TEORIA LO PRUEBA QUE UNA NAPA
DE AGUA, EL NIVEL PIEZOMETRICO ES EL MISMO EN TODOS LOS PUNTOS.
POR EL CONTRARIO, SI HAY UN
ESCURRIMIENTO (CARACTERIZADO
POR LAS LINEAS DE FLUJO (a, b,
c,...),
LOS
PUNTOS
PRESENTAN
EL
(A,
B,
MISMO
C...)
NIVEL
PIEZOMETRICO Y ESTAN SITUADOS
SOBRE UNA MISMA SUPERFICIE,
a
A
b
B
c
C
PERPENDICULAR A ESTAS LINEAS
DE
FLUJO,
LLEVAN
ESTAS
EL
SUPERFICIES
NOMBRE
DE
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
•9
PARA HALLAR ESTAS FUNCIONES SE RECURRE A LOS
SIGUIENTES PROCEDIMIENTOS:
A.- RESOLUCION DE LA ECUACION DE LAPLACE MEDIANTE EL
USO DE VARIABLES COMPLEJAS QUE PERMITAN RESOLVER
GRAN NUMERO DE PROBLEMAS DE CONTORNO.
B.- MODELOS ANALOGICOS ELECTRICOS (Se utilizan modelos
bidimensionales, sobre papeles conductores especiales que
simulan el terreno)
C.- METODOS NUMERICOS, RESOLVIENDO LA ECUACION DE
LAPLACE POR DIFERENCIAS FINITAS.
D.- METODOS MANUALES, DIBUJANDO LA RED DE CORRIENTE A
MANO ALZADA, BASANDOSE EN SUS PROPIEDADES.
•10
AGOTAMIENTO DE SUELOS
INCONVENIENTES DE LA PRESENCIA DE AGUA EN UNA EXCAVACIÓN.
•
•
DIFICULTA O IMPOSIBILITA EL TRABAJO
MODIFICA
EL
EQUILIBRIO
DEL
INESTABILIDAD
DEL
FONDO
DE
DESMORONAMIENTO DE LOS CORTES.
•
SUELO
PROVOCANDO
LA
EXCAVACIÓN
O
LA
EL
PROVOCA SUB-PRESIÓN Y CONSECUENTEMENTE FLOTACIÓN DE
ESTRUCTURAS AFINES.
CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DEL METODO DE
AGOTAMIENTO DE AGUAS SUBTERRANEAS
•
PROPOSITO DEL AGOTAMIENTO ( PRESAS, CAMINOS, EDIFICIOS, ETC)
•
CANTIDAD DE AGUA A AGOTAR
•
PROFUNDIDAD DEL NIVEL FREATICO
•
CONDICIONES GEOLOGICAS DE LA ZONA
•
FACTORES DE COSTOS
OBJETIVOS DE LAS
EXCAVACIONES PARA DRENADO
• PRODUCIR CONDICIONES SECAS DE TRABAJO
• EVITAR LA ELEVACION O SUBPRESIONES EN EL FONDO
DE EXCAVACIONES
• REDUCIR LAS PRESIONES LATERALES SOBRE SOPORTES
TEMPORALES
• MEJORAR LA ESTABILIDAD DE TALUDES TEMPORALES
• REDUCIR EL CONTENIDO DE HUMEDAD DE TERRENOS
QUE SE VAYAN A EXCAVAR( EMPRESTITOS)
•11
Sistemas de agotamiento del nivel freatico
✓ ZANJAS
✓ POZOS
✓ GALERIAS
✓ PUNTERAS O WELL-POINT.
•12
DISEÑO DE POZOS
1.- POZO COMPLETO EN ACUIFERO CONFINADO
Nivel piezometrico inicial
Q
Cono de depresión
H
z
h
a
R
e
Estrato acuífero
r
CURVA DEL NIVEL PIEZOMETRICO Y Q
Q = 2π·K·e H-h
= 2,73 k·e H-h
ln (R/a)
log (R/a)
K·e : Transmisibilidad del acuífero
Z-h = (H-h) ln (r/a) = Q·ln(r/a)
ln (R/a)
2 π·k·e
•13
SISTEMA DE WELLPOINTS
Grupo de pozos de diámetro pequeño (2” a 8”), poco espaciados, de
profundidades pequeñas (< 15 m). Están conectados a una tubería general o
colector, sobre la que trabaja una bomba centrifuga
BOMBA
Profundidad al
nivel estático
NIVEL ESTATICO
ALTURA
DE
SUCCION
DEPRESION
CONO DE
DEPRESION
NIVEL DE BOMBEO
Mayor altura de
aspiración 7m
NIVEL ESTATICO
Acuífero de arena
Filtro
•14
DISPOSICION EN PLANTA DEL SISTEMA
Bomba
r1 r2
Tubería colectora
Puntera
INSTALACIÓN
DE WELLPOINTS
Hinca : en formaciones blandas, h=15 arenosas, sin gravas gruesas
Chorro de agua : en formaciones arenosas suelta
Para pozos profundos : percusión o rotación
REBAJAMIENTO OBTENIDO EN UN PUNTO P
a) Acuífero confinado
b) Acuífero Libre
H2 − Z 2 =
H2 − Z2 =
1
2 πke
i =n
1
π ⋅k
i= n
Qi ⋅ ln
Ri
F
=
ri
2 πke
Qi ⋅ ln
Ri
F
=
ri
π ⋅K
i =1
i=1
F : Función común que depende de la disposición de los pozos
Evacuación de aguas
•15
PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO DEL ”POZO EQUIVALENTE”
c
A
A
1.- ACUIFERO CONFINADO
H-hc =
Fc
2πKe
H-hp =
Fp
2πKe
2.- ACUIFERO LIBRE
H2-hc2 =
Fc
πK
Fc= n·Q·ln (R/A)
H2-hp2 =
Fp
πK
Fp = Q·ln· Rn
n·α·A(n-1)
H-hc = REBAJAMIENTO DE LA CAPA FREATICA EN EL CENTRO DEL CIRCULO
H-hp = Descenso en cada pozo
•16
•17
•18
•19