Capitulo 5: Propiedades Hidráulicas-2015

PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS SUELOS

PROPIEDADES HIDRAULICAS

DE LOS SUELOS

1. Capilaridad.

2. Flujo de Agua en los Suelos

3. Velocidad de Descarga.

4. Determinación de la

Permeabilidad.

MECANICA DE SUELOS – INGENIERIA CIVIL – Prof: R.G.A.

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



Fenómeno resultante de la combinación de la

tensión superficial de un líquido y su

tendencia a mojar las superficies con las que

entra en contacto.

FsFs

Rw

A

A B

D

CAPILARIDAD

B

h FA Fc

FR

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



La altura capilar depende principalmente de la

separación entre las paredes de la frontera

sólida.

FsFs

rc rc

W

hc

Formula Empírica de Hazen

σ= Tensión Superficial = 0.074 gr/cm

a 20°C

Para θ=0° hc=0.3/D

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



Relación con el Límite de Contracción

Volumétrico

A medida que se desarrolla el menisco el tubo capilar trata de disminuir

su diámetro y por otro lado trata de disminuir su altura: Contracción

Volumétrica.

Esfuerzos en el agua

en un tubo capilar.

FsFs

t t

tt

Sobre el agua

Sobre el Recipiente

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



Capilaridad

El esfuerzo de tensión = u = h*w = (2σ*cosθ)/r

El menisco totalmente desarrollado (θ=0) se obtiene cuando el tubo

capilar sea lo suficientemente largo para que se eleve el agua hasta

alcanzar la hc max.

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



Capilaridad

N.T

Línea de Saturación

N.Fhc

En un suelo fino el nivel de saturación esta por encima del nivel

freático por ascensión capilar. La altura se alcanza hasta que el peso

del agua en los canalículos sea igual a las fuerzas de tensión

superficial.

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA




Volumétrico

En un suelo la tensión superficial tensa o contrae las partículas del

suelo, al ser un material compresible, se contraerá volumétricamente.

En una arena estas fuerzas permiten una cohesión aparente (grumo)

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA




Volumétrico

1. Posición inicial, el agua esta superficial.

2. Posición del menisco cuando se desarrolla totalmente en los tubos capilares

de diámetro mayor.

3. El menisco se desarrolla totalmente en los tubos de diámetros intermedios.

4. Finalmente el menisco se desarrolla en los tubos capilares de menor tamaño

(valor máximo de esfuerzos de tensión (agua) y compresión (canalículos).

Prof. 0.3 m

Ancho 7-15 cm

(El agua se retrae hasta el poro más

pequeño - Fs se hacen máximas y

no habrá más cambios de volumen).

Fuente: Suárez J.

2:19 p.m.

Fuente: GIGMA, 2012

Fuente: GIGMA, 2012




Volumétrico

Para que se produzca la compresión entre las partículas sólidas en el

suelo es necesario que existan dos condiciones:

1. Canalículos Capilares.

2. Dos fluidos de diferente naturaleza en contacto.

Reflexión:

A una masa de suelo se le va quitando agua por evaporación, llegará a un

cierto contenido de agua después del cual ya no se sigue contrayendo.

a) A que se debe que al seguir perdiendo agua no se contraiga más?

b) Como se puede reconocer en el terreno con facilidad?

c) En que estado de consistencia se encuentra el suelo en ese

momento?

2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



Ejemplos

1. Un recipiente de vidrio esta totalmente lleno de agua. En la superficie

superior hay un orificio de diámetro D1= 0.01 cm y en él el menisco ésta

totalmente desarrollado. En su superficie interior hay otro orificio de

diámetro D2.

a) Cuál es el máximo valor que puede tener D2 si el menisco en este

orificio está también totalmente desarrollado?

b) Si D1=D2=0.01 cm, encuentre el ángulo de contacto, θ2, en el orificio

inferior, cuando en el superior el menisco está totalmente

desarrollado.

2:19 p.m.



Ejemplos

2. Si en D1 el menisco esta totalmente desarrollado, proporcione el valor

D2.

2:19 p.m.



Ejemplos

3. Al formarse totalmente el menisco en el extremo en que se forme

primero, diga cuanto vale el esfuerzo de tensión en el agua en el sistema

de tubos.

4. Calcular la presión de poro máxima que se produce en un canalículo

para el cual el menisco tiene un =5, calcular hc (ascenso capilar

máximo).

2:19 p.m.



Ejemplos

5. Calcule, en la figura, la h máxima compatible con el equilibrio

2:19 p.m.


Ejemplos

6. En una arena se encuentra que el diámetro de los poros es de 2 mm, el

ángulo de contacto medido es igual a 20°. ¿Cuál es la altura a la cual se

eleva el agua por capilaridad en la arena? A temperatura de 20°C, se tiene

un valor de tensión superficial de 0.0736 N/m para el agua.

- Para una arcilla de diámetro 0.01 mm cuál será la altura de capilaridad?

7. Si en una roca existe una fractura que puede ser idealizada por dos

láminas paralelas verticales, cuál es la altura a la cual asciende un crudo

de petróleo, si la separación en la fractura es de 0.0001 mm?


2:19 p.m.


Formas del Agua en el Suelo

1. Agua adsorbida, ligada a las partículas del suelo por fuerzas de origen

eléctrico.

2. agua capilar, cuyo flujo representa gran importancia en algunos casos,

tales como el humedecimiento de un pavimento por flujo ascendente.

3. agua libre o gravitacional que, bajo el efecto de la gravedad terrestre,

puede moverse en el interior de la masa sin otro obstáculo que el que le

impone su viscosidad y la trama estructural del suelo.


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA


Flujo de Agua en los Suelos

Movimiento del agua libre a través del suelo por la diferencia de altura

entre un punto y otro dentro de la masa de suelo.

LEY DE DARCY

V= k*i

Q=V*A

i=(h1-h2)/L

k = Coef. de Permeabilidad

V = Velocidad del flujo en cm/seg.

i = Gradiente hidráulico.


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



Influencia del Flujo de Agua en el Suelo

2. Variación del estado tensional del suelo. Cambio en la condición de

esfuerzos en el suelo x variaciones en NF. Afecta Estabilidad y

Deformaciones.

- Subsidencia. - Aumento presión de poros. - Estabilidad de

taludes.

1. Conocer el Caudal de Agua que Circula.

- Cantidad de agua que se puede perder por infiltración (embalse, canal

riego).

- Excavaciones bajo Nivel Freático: Potencia sistema de bombeo.

3. Alteraciones en el suelo x el flujo del agua.

- Físicas: Erosión interna.

- Biológicas: Algas que pueden hacer impermeable una capa drenante

(filtro plantas de tratamiento).

- Químicas: Inestabilidad por disolución de sales que dan acción

cementante. 2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA




2:19 p.m.

Fuente: Gallardo R. Fuente: Gallardo R.



2:19 p.m.

Fuente: Suárez J.




2. Variación del estado tensional del suelo. Cambio en la condición de

esfuerzos en el suelo x variaciones en NF. Afecta Estabilidad y

Deformaciones.

- Subsidencia. - Aumento presión de poros. - Estabilidad de

taludes.

1. Conocer el Caudal de Agua que Circula.

- Cantidad de agua que se puede perder por infiltración (embalse, canal

riego).

- Excavaciones bajo Nivel Freático: Potencia sistema de bombeo.

3. Alteraciones en el suelo x el flujo del agua.

- Físicas: Erosión interna.

- Biológicas: Algas que pueden hacer impermeable una capa drenante

(filtro plantas de tratamiento).

- Químicas: Inestabilidad por disolución de sales que dan acción

cementante. 2:19 p.m.

Fuente: Suárez J.


Velocidad de Descarga

Factores para que se mueva el agua a través del suelo:

1. Tipo de suelo: Estructura del Suelo.

2. Los poros interconectados.

3. Diferencia de presión y de posición.

En la Ley de Darcy se considera que:

1. El flujo se produce en forma continua..

2. Se aplica al caso de suelos saturados.

3. El flujo debe ser laminar.


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

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YA




2:19 p.m.

Fuente: Gallardo R.

Fuente: Gallardo R.



k representa la mayor o menor facilidad con que el agua fluye a través del

suelo, bajo un determinado gradiente hidráulico.

V= k*i

Velocidad de Filtración

L

V1

Fase

Sólida

A Av

V V

V1= [(1+e)/e]*k*i

Velocidad media de avance

del agua en la dirección del

flujo.


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

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YA


Velocidad Real

V2= (Lm/L)[(1+e)/e]*k*i

En esta se tiene en cuenta la longitud real que recorre el agua a través

del suelo.

Factores que influyen en la Permeabilidad

1. La relación de Vacios del suelo: A mayor e mayor k

e-eo= Relación de Vacios Efectiva

ARCILLAS NC


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

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YA


Factores que Influyen en la Permeabilidad

2. La temperatura del agua: A mayor T° mayor k

3. La estructura del suelo: En el caso de los finos entre más orientadas

estén las partículas “k” será menor, para los gruesos la situación es

diferente, > k en el sentido paralelo a la orientación y < k en el sentido

perpendicular.

4. La estratificación: Se tienen permeabilidades diferentes en el sentido

horizontal y en el vertical.


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



En el sentido Horizontal:


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Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



En el sentido Vertical:


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Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



5. La existencia de agujeros, fisuras, (Discontinuidades): Producto de los

ciclos de humedecimiento y secado, efectos de la vegetación y pequeños

organismos. Esto puede llevar una arcilla impermeable a ser un material

poroso.

6. El grado de saturación Gw: Disminuye la permeabilidad inicialmente,

pero la alcanzar el Gw=100% su efecto desaparece.

7. El Tamaño de los granos: Influye este en “e”, la permeabilidad crece

dependiendo del diámetro efectivo.


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

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MA

YA



% Pasa T. 200 K (cm/seg)

0 2.82x10-2 – 0.11

4 7.10x10-4 – 1.80x10-2

7 7.10x10-5 – 1.06x10-3

Permeabilidad K cm/seg Suelo Típico

Muy Permeable >10-1 Grava Gruesa

Moderadamente Permeable 10-1 – 10-3 Arena – Arena Fina

Poco Permeable 10-3 – 10-5 Arena Limosa – Arena

Sucia

Muy poco Permeable 10-5 –10-7 Limo – Arena muy Fina

Impermeable 10-7 o menor Arcillas


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA


Determinación de la Permeabilidad

A. METODOS DIRECTOS

1. Permeámetro de Carga Constante.

2. Permeámetro de Carga Variable.

3. Prueba Directa en Campo: Bombeo – Infiltración.

B. METODOS INDIRECTOS

1. A partir de la Granulometría del suelo.

2. A partir de la Prueba Horizontal de Capilaridad.

3. A partir de la Prueba de Consolidación del Suelo.


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA


A. METODOS DIRECTOS (Laboratorio)

1. PERMEAMETRO DE CARGA CONSTANTE: SUELOS GRANULARES

2. PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE: SUELOS FINOS


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

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YA


Ensayo de Carga Constante

Fuente: www.fing.edu.uy/iet/areas/geotecnica/.../prop_hidraulicas_4.ppt

• L: altura de la muestra

• A: Sección de la muestra

• H: Diferencia de carga hidráulica

• V: Volumen de agua medido

• t: tiempo del ensayo

HAt

VLk

AtL

HkkiAtqtV

L

H

A

V

Piedras

Porosas

Rebosadero

Rebosadero

Alimentación


2:19 p.m.


Ensayo de Carga Variable

Fuente: www.fing.edu.uy/iet/areas/geotecnica/.../prop_hidraulicas_4.ppt

• L: altura de la muestra

• A: Sección de la muestra

• a: Sección de tubo alimentador

• h1: Carga hidráulica inicial

• h2: Carga hidráulica final

• t: tiempo del ensayo

• dh: descenso de agua en un dt

a

L

h1

A

Piedras

Porosas

h2

dh

Rebosadero

2

1

2

1

h

hlog

At

aL3,2

h

hLn

At

aLk


2:19 p.m.


A. METODOS DIRECTOS (Campo)

3. PRUEBA DIRECTA EN CAMPO.

3.1 PRUEBA DE BOMBEO

A=2rh

i=dh/dr Hipótesis de Dupuit

q=K*i*A


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

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YA



3. PRUEBA DIRECTA EN CAMPO.

3.2 PRUEBA DE BOMBEO CON POZOS DE OBSERVACION


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA


A. METODOS DIRECTOS (Campo) 4. Método de Porchet

Nivel del Terreno

Nivel de Agua 2R

h

Rh

Rh

tt

Rf

2

1

12 2

2ln*

)(2


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA


A. METODOS DIRECTOS (Campo) 5. Método de Porchet del pozo barrenado invertido


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA

Gallardo R. (2013)



5. Método de Porchet Localización: Parte alta ladera sur barrio San Fermín - Ocaña N.S.

Proyecto: Aplicación del método de los factores de valuación en los fenómenos de

remoción en masa del barrio San Fermín, Municipio de Ocaña y selección

de propuestas de mitigación.

Fecha: Noviembre 04 de 2013 Hora inicio prueba: 9:00 a.m

7.75

40

4

Dato t (seg) t (mín)

Descenso de

Lámina H

(cm)

H+r/2

1 0 0 Ho=38.0 42.375

2 120 2 37.0 40.875

3 240 4 36.9 40.775

4 360 6 36.6 40.475

5 480 8 36.3 40.175

6 600 10 36.0 39.875

7 720 12 35.7 39.575

8 840 14 35.5 39.375

9 960 16 35.4 39.275

10 1080 18 35.2 39.075

11 1200 20 35.0 38.875

12 1320 22 34.6 38.475

13 1440 24 34.5 38.375

14 1560 26 34.2 38.075

15 1680 28 34.0 37.875

16 1800 30 33.9 37.775

17 1920 32 33.7 37.575

18 2040 34 33.5 37.375

H Altura del agua en el orif icio barrenado. Esta altura se puede tomar cada

cm, y se anota el tiempo correspondiente en segundos.

t Tiempo en segundos correspondiente a cada lectura en el pozo barrenado.

Expresión 1: K (cm/seg)= 0.000181


Realizó y Elaboró:

Romel J. Gallardo Amaya.

CALCULO DE INFILTRACIÓN - MÉTODO DE PORCHET

radio de orificio barrenado = r (cm)

Prof. del orificio barrenado (cm)

Prueba No.

y = -0.0021x + 41.33R² = 0.9514

10

100

0 500 1000 1500 2000 2500

H+r

/2 (

cm)

tiempo (s)

Series1 Lineal (Series1)

Localización: Parte alta ladera sur barrio San Fermín - Ocaña N.S.

Proyecto: Aplicación del método de los factores de valuación en los fenómenos de

remoción en masa del barrio San Fermín, Municipio de Ocaña y selección

de propuestas de mitigación.

Fecha: Noviembre 04 de 2013 Hora inicio prueba: 9:00 a.m

7.75

40

4

Dato t (seg) t (mín)

Descenso de

Lámina H

(cm)

H+r/2

1 0 0 Ho=38.0 42.375

2 120 2 37.0 40.875

3 240 4 36.9 40.775

4 360 6 36.6 40.475

5 480 8 36.3 40.175

6 600 10 36.0 39.875

7 720 12 35.7 39.575

8 840 14 35.5 39.375

9 960 16 35.4 39.275

10 1080 18 35.2 39.075

11 1200 20 35.0 38.875

12 1320 22 34.6 38.475

13 1440 24 34.5 38.375

14 1560 26 34.2 38.075

15 1680 28 34.0 37.875

16 1800 30 33.9 37.775

17 1920 32 33.7 37.575

18 2040 34 33.5 37.375

H Altura del agua en el orif icio barrenado. Esta altura se puede tomar cada

cm, y se anota el tiempo correspondiente en segundos.

t Tiempo en segundos correspondiente a cada lectura en el pozo barrenado.



Realizó y Elaboró:

Romel J. Gallardo Amaya.

CALCULO DE INFILTRACIÓN - MÉTODO DE PORCHET

radio de orificio barrenado = r (cm)

Prof. del orificio barrenado (cm)

Prueba No.

y = -0.0021x + 41.33R² = 0.9514

10

100

0 500 1000 1500 2000 2500

H+r

/2 (

cm)

tiempo (s)

Series1 Lineal (Series1)


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



1. A PARTIR DE LA GRANULOMETRIA:

1.1 FORMULA DE ALLEN HAZEN

TIPO DE SUELO C

Arena muy fina, mal gradada. 40 – 80

Arena fina con una gran cantidad de

material fino.

40 – 80

Aren media, bien gradada. 80 – 120

Arena gruesa, mal gradada. 80 – 120

Arena gruesa, bien gradada, limpia. 120 -150

Con temperatura

Con C=116


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



1.2 FORMULA DE SLICHTER

1.3 FORMULA DE SHEPPERD

n. 0.26 0.38 0.46

C 83.4 24.1 12.8

jdCK )(* 50

C= Coeficiente de Hazen

d50= Tamaño medio de los sedimentos arenosos (cm).

j= Depende de la textura de los sedimentos.

Sedimento redondeado j=2.0

Sedimentos naturales j=1.5


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA



2. A PARTIR DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN.

• Tv = Factor Tiempo

• av = Coeficiente de compresibilidad.

• H = Espesor de la Muestra.

• eo = Relación de vacios antes de la consolidación.

• t = Tiempo del proceso de consolidación.

3. A PARTIR DE LA PRUEBA HORIZONTAL DE CAPILARIDAD.

INVESTIGAR


2:19 p.m.

Pro

feso

r:

RO

MEL G

ALLA

RD

O A

MA

YA

Capitulo 5: Propiedades Hidráulicas-2015

Engineering

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