CAPÍTULO VI PROPIEDADES HIDRÁULICAS DEL SUELO

...

[pic 12]

[pic 13]

El ángulo “α” define la mayor o menor capacidad de que el líquido “moje” el material del que está constituido el tubo. Valores de α  90° corresponden a una afinidad entre el líquido y el material del tubo (el líquido moja el tubo), favoreciendo el fenómeno de capilaridad.

Efectos contrarios corresponden a valores de α 90° (por ejemplo, hay afinidad entre agua y vidrio, entre suelo y agua). Entonces, se afirma que si el tubo es de pequeño diámetro, la forma del menisco podrá considerarse cercana a la de una semiesfera, al llegar al equilibrio.

La formación del menisco y la ascensión capilar tienen como causa básica que, en medio del límite de separación entre agua y aire, hay una atracción molecular en desequilibrio, que como consecuencia produce una tensión superficial (tracción), la cual actúa de manera paralela a la superficie del agua, y además, en todas las direcciones.

La tensión superficial antes mencionada se ha logrado determinar experimentalmente con valor de 0,0764 [gr/cm] ó 75 [dinas/cm]; por ser una fuerza de tracción, en Mecánica de Suelos se considera con signo negativo. De lo que se tiene entonces, el fenómeno descrito anteriormente sumado a la atracción molecular de las paredes del tubo y del agua, hacen posible el fenómeno de la capilaridad.

La capilaridad se mide experimentalmente a través de aparatos llamados capilarímetros. El principio de ello consiste en ejecutar una fuerza que produzca succión a la muestra, venciendo así los esfuerzos de capilaridad. La fuerza de succión aplicada se mide en una columna de agua o de mercurio, y ésta corresponderá a la altura capilar del suelo.

Para alcanzar el equilibrio en el tubo capilar se necesita que el peso del agua arrastrado por la tensión superficial sea igual a la componente vertical de tal fuerza; la componente vertical se determina por medio de la siguiente expresión:

F = π x d x Ts x cosα Ecuación 6.1

Donde:

d = diámetro del tubo capilar.

α = ángulo de contacto entre las paredes del tubo y el menisco.

Ts = tensión superficial.

El peso del agua arrastrada o peso de la columna de agua será:

π x d2

F = hc x γw Ecuación 6.2[pic 14]

4|

Donde:

hc = altura de ascensión capilar.

γw = peso unitario del agua.

Igualando, se tiene

π x d2

π x d x Ts x cosα = hc x γw Ecuación 6.3[pic 15]

4

Entonces,

4 x Ts x cosα

hc = Ecuación 6.4 [pic 16]

d x γw

En el momento de la mayor ascensión capilar, es decir, al alcanzar el equilibrio se tiene que α = 0°, entonces la altura máxima de la ascensión capilar es:

4 x Ts

hc max = Ecuación 6.5[pic 17]

d x γw

Se aprecia que la altura que el agua alcanza por capilaridad es inversamente proporcional al diámetro del tubo capilar. Los suelos se consideran teóricamente, como una red de tubos capilares, como se aprecia en la figura.

[pic 18]

[pic 19]

En los casos de los suelos no cohesivos, como gravas y arenas, se considera el diámetro de los tubos capilares como 1/5 D10 (donde D10 es el diámetro efectivo).

Si se considera que la tensión del agua actúa en cualquier punto, se tiene:

μw = h x γw Ecuación 6.6

La tensión máxima por efectos de la capilaridad en el agua será:

4 x Ts

μw max = Ecuación 6.7 [pic 20]

d

El fenómeno de la capilaridad es importante de cuantificar, especialmente en suelos finos, pues el agua puede ascender a grandes alturas sobre el nivel freático pudiendo causar deterioros en la estructura ingenieril. En la figura se aprecian valores de alturas capilares para diversos suelos.

[pic 21]

[pic 22]

[pic 23]

[pic 24]

6.2.2 Permeabilidad

Se define como la propiedad que tiene algún medio poroso, como es el suelo, de permitir el escurrimiento de algún fluido, a través de él, bajo la aplicación de presión hidrostática.

Los suelos están constituidos por una gran cantidad de granos, dejando entre ellos espacios vacíos llamados huecos, los que permiten que tenga lugar la permeabilidad; siendo importante su estudio en obras a cielo abierto y con presencia de agua.

La permeabilidad se expresa de forma cuantitativa a través del coeficiente de permeabilidad “k”. Esta propiedad posee el más amplio rango de variación desde 1010 [cm/s] para las gravas limpias hasta 10-9 [cm/s] para las arcillas plásticas. Algunos factores que inciden en la permeabilidad son la viscosidad del fluido (según la temperatura), el tamaño y continuidad de poros (según tamaño, forma, densidad y estructura), y la existencia de discontinuidades en el suelo.

La cantidad de fracción fina que exista en el suelo influye de forma importante produciendo variaciones en el escurrimiento. A mayor cantidad de finos en el suelo, la permeabilidad es notablemente más lenta, como se aprecia en la siguiente tabla, considerando sólo el material que pasa por la malla N° 100

Pasa la malla N° 100

(% en peso)

Coeficiente de permeabilidad x 10-3 [cm/s]

0