PERMEABILIDAD MECANICA DE SUELOS

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AGUA ADSORBIDA

Es el agua ligada a las partículas del suelo por fuerzas de origen eléctrico, no se mueve en el interior de la masa porosa y por lo tanto no participa del flujo. El agua adsorbida se encuentra ligada a las partículas solidas debido a las fuerzas moleculares derivadas de la actividad físico-químicas de tales partículas. El agua adsorbida no circula en el interior de la masa de suelo y tiene importancia muy relevante en el comportamiento mecánico de los suelos constituidos por minerales de arcilla cuyas partículas son menores a 2 micras, la atracción molecular de las partículas minerales hacia las moléculas de agua hace que las propiedades de esta última se modifiquen provocando cristalización en la periferia de la partícula mineral, así, la viscosidad normal, cerca de la superficie del grano, el agua posee muy alta viscosidad presentando un estado sólido, rodeando el agua solidificada y el agua altamente viscosa, junto con los cationes disueltos que rodean las partículas minerales de arcilla, constituyen el proceso de adsorción y su espesor depende esencialmente del tipo de catión disuelto y del tipo de mineral de arcilla, el cual puede ser montmorilonita, ilita o caolita. Las películas de agua adsorbida conocidas también como agua solida, semisólida y altamente viscosa llegan a tener espesores del orden de 0.2 micras con un volumen varias veces mayor que el de la materia solida que constituyen la partícula y son responsables de la cohesión y del comportamiento visco-plásticos de los suelos arcillosos.

LEY DE DARCY

En 1850 en Paris, Darcy con un dispositivo, estudio las propiedades del flujo del agua a bajas velocidades a través de un lecho filtrante de arenas, para esto realizo varias pruebas variando la longitud de la muestra y la carga de agua en las partes superiores e inferiores de la misma, midiendo el gasto Q que pasa a través de la arena; así estableció que el gasto es proporcional a (h1h2)/L

Q= k A[pic 1]

Donde: Q es el gasto

H1 es la carga hidráulica total en el punto 1

H2 es la carga hidráulica total en el punto 2

A es el área total de sección transversal del filtro

L es la longitud del filtro o muestra

I = gradiente hidráulico[pic 2]

K= constante de proporcionalidad conocida en la actualidad como coeficiente de permeabilidad y es igual a:

K = k [pic 3]

K es la permeabilidad absoluta que depende de las propiedades del medio.

Para el caso de suelos granulares se puede obtener deducida a partir de la ley de Poiseulle, teniendo unidades de área.

La ecuación se conoce como ley de Darcy, se cumple para flujo laminar y juega un papel básico dentro del estudio de flujo de agua a través de los suelos.

Q= AV donde A es el área transversal del conducto y V la velocidad de descarga, se deduce que v= ki ó v = k i [pic 4]

Se establece que la velocidad es directamente proporcional al gradiente hidráulico en el intervalo en que la ley de Darcy se cumple. El coeficiente de permeabilidad k de un suelo queda definido como la velocidad con al cual circula el agua a través del mismo bajo un gradiente hidráulico unitario, es función de las propiedades tanto del suelo como el agua que circula y se determina mediante los procedimientos tradicionales de la mecánica de suelos. Las propiedades que mas influyen en la permeabilidad de los suelos son su estructura, la mineralogía, su forma y distribución de la fase solid, la relación de vacios y las características del fluido contenido en los poros. Para el caso de suelos granulares se puede estimar mediante la expresión de Hazen que es congruente con la expresión que denota la permeabilidad absoluta aunque tiene el inconveniente de que solo lo hace dependiente del D10 sin considerar explícitamente el grado de acomodo que pueda tener el suelo.

NUMERO DE REYNOLS

Reynolds, en 1883, estableció que la naturaleza del flujo de aguas depende de su velocidad, de tal modo que a velocidades menores de un valor crítico el flujo siempre resulta laminar. Así fue como propuso, para un flujo dado, una relación adimencional entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, la cual se le conoce como numero de Reynolds R.

R = [pic 5]

Donde: v es la velocidad de descarga, en cm/s

D es el diámetro promedio de las partículas o de los poros del suelo en cm

ϒω es el peso específico del agua en g/cm3

m es la viscosidad del agua, en g-s/cm2( 10,29x10-6)

g es la aceleración de la gravedad en cm/s2

Las leyes fundamentales que determinan el estado de un caso de flujo dado fueron determinadas por Reynolds a través de sus experiencias, en las cuales la relación entre la velocidad de flujo a través de un tubo y la cantidad de carga perdida por fricción fue la parte más importante. Mediante esta ecuación se puede observar que a medida que el diámetro del tubo disminuye la velocidad critica aumenta, con lo cual aumenta el margen dentro del cual el flujo es laminar. En la mayoría de los suelos el numero de Reynolds varía entre valores mucho menores que los planteados para tuberías, dado que el diámetro medio de los poros es mucho más pequeño que el diámetro planteado, sin embargo, en suelos altamente gruesos, gravas por ejemplo, el flujo puede ser turbulento.

VELOCIDAD DE DESCARGA Y VELOCIDAD DE FLUJO EN LAS MASA DE SUELO

Considerando la velocidad a la que una partícula de agua se desplaza a través de un material poroso, se puede comprender el flujo del agua a través de los suelos. La velocidad de descarga es la cantidad de agua que circula en un medio poroso en la unidad de tiempo a través de una superficie unitaria perpendicular a las líneas de filtración y se expresa como v= Q /A donde A es el área total de la sección transversal del tubo del flujo.

La velocidad de infiltración o de flujo toma en cuenta la existencia de una fase solida impermeable y representa la velocidad