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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

AGUA EN EL TERRENO

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ALUMNOS: - LIMA VILLEGAS, WILSON - LIZAMA MOGOLLÓN, GAUDY - MENDOZA TORRES, MIRUSDY - PEÑA CASTILLO, ALINA - PRADO IMÁN, SAIRA - PINGO SAMANIEGO, ÁNGEL - RAMOS RAMÍREZ, SARAÍ - ROBLEDO LUIS - ROJAS NAVARRO, JORGE - SÁNCHEZ HOLGUÍN KAROL - VILLAR SULLÓN, PERCY

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DOCENTE: ING. MAURO SALVADOR PAICO

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CURSO:

MECÁNICA DE SUELOS

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FECHA:

MIÉRCOLES 7 DE AGOSTO, 2019

AGUA EN EL TERRENO

INTRODUCCIÓN

Los suelos tienen vacíos interconectados por donde el agua puede fluir desde los puntos de alta energía a los puntos de baja energía. El estudio del flujo de agua a través de medios porosos del suelo es importante en la mecánica del suelo, lo cual es necesario para la estimación de la cantidad de filtración subterránea bajo diversas condiciones hidráulicas, para la investigación de los problemas que implica el bombeo de agua para construcción subterránea y para la realización de los análisis de estabilidad de presas y estructuras de retención de tierra que están sujetas a fuerzas de filtración. La velocidad de descarga del agua, que es la cantidad de agua que fluye por unidad de tiempo a través de un área de sección unitaria transversal de suelo (en ángulos rectos a la dirección del flujo), es una función de la conductividad hidráulica y del gradiente hidráulico. La conductividad hidráulica es un parámetro importante para un suelo en el estudio de la filtración.

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II.

BASES TEÓRICAS

CAPITULO I 1.1 NIVEL FREÁTICO

Cuando tenemos una masa de suelo, esta estará constituida por una parte de material sólido, líquidos, y otra parte por gases. Al bajar de la superficie de la tierra, aparece el contenido de agua en mayores dimensiones, hasta el punto que el contenido de aire es totalmente ocupado por el agua, en este punto donde hallamos solo parte sólida, y parte de agua, la llamamos Nivel Freático. En las cimentaciones profundas, la existencia de éste, es uno de los problemas con que nos encontramos durante el proceso de excavación.

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Capilaridad de Aguas Freáticas

La capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán 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, para poder que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos.

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Problemas de Capilaridad en la construcción

Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir ésta, se humedecen 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 los 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. MÉCANICA DE SUELOS

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En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático. 

Taludes y el Nivel Freático

Cuando tenemos en la construcción de algunas obras civiles, taludes, como es el caso más común de las carreteras, aquí también hay influencia del nivel freático. Si en una época de invierno el nivel freático sube, el suelo que contiene al talud, llega a pesar más por el peso del agua, pudiendo haber un derrumbe del talud en cuestión. También hay que tener en cuenta que el agua, por la presión que genera en el suelo, tiende a separar las partículas sólidas del suelo, produciendo grietas, que, en algunos sitios, pueden producir el colapso del talud. Se debe tener en el material del que está compuesto el talud. Si tenemos arcillas plásticas, o limos, es muy probable que, por la acción del agua freática, estos limos o arcillas ganen plasticidad, perdiendo resistencia al corte, lo que generaría el colapso del talud. Para evitar los colapsos de los taludes, se debe tener un buen drenaje de este, el cual abatirá el nivel freático, disminuyendo la posibilidad de falla por aguas freáticas.

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El nivel freático en excavaciones

Muchas veces en la ingeniería civil, es necesario hacer excavaciones por debajo del nivel freático, lo que puede generar varios problemas si se tiene un suelo permeable, el cual permita que la excavación que se haga, se llene de agua, lo que generaría unas velocidades del agua freática, arrastrando material del suelo a la excavación también, estando sucio siempre la excavación Hay varias formas de abatir el nivel freático. La más común de ellas es hacer una zanja colectora del agua en la excavación, donde se coloca a bombear el agua hacia otra parte fuera de la excavación. Se debe tener en cuenta que los volúmenes de agua que se deben bombear son muy grandes, ya que el nivel freático siempre tratara de estar constante, lo que puede incrementar los costos de una obra determinada.

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1.2 CLASIFICACIÓN DEL AGUA EN EL SUELO

El agua del suelo puede clasificarse desde un punto de vista físico o desde el punto de vista granulométrico:

Desde el punto de vista granulométrico: 

Suelos arenosos: Muy baja capacidad de campo, pero casi toda su humedad es agua útil pues la cantidad de agua en punto de marchites es muy pequeña.

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Suelos arcillosos: Muy alta capacidad de campo, pero con gran cantidad de agua inútil en punto de marchitez.

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Suelos de granulometrías equilibradas: Buenas características al compensarse los efectos de las arenas y de las arcillas.

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CAPITULO II 2.1. REDES DE FLUJO Es la representación gráfica de los caminos recorridos por el agua. Está constituida por líneas de flujo y por líneas equipotenciales. El flujo siempre es tridimensional, así que las redes de flujo, en un plano, pueden trazarse en un plano horizontal o en un corte vertical. Es un instrumento poderoso para la solución de los problemas de filtración de agua donde es evidente que existe un número ilimitado de líneas de flujo y de equipotenciales, pero se toman sólo aquellas que ofrecen una representación más general y una forma más conveniente de explicar el fenómeno.

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Líneas de flujo o líneas de corriente:

Es el camino seguido por una partícula de agua en su recorrido de escurrimiento o filtración a lo largo de una masa de suelo saturado. Un ejemplo de las líneas de flujo son las líneas curvas, suaves y sólidas, que pasan por debajo del muro de contención construido con una pantalla de tablestacas.

Líneas de Flujo

Líneas Equipotenciales

Líneas curvas, suaves y sólidas.

Cada línea de flujo comienza en un punto localizado sobre la línea AB, con una carga de presión (h= h1 – h2) que se disipa por la fricción viscosa, y termina en la línea CD, donde la carga de presión es igual a h2. A todo lo largo de la línea existe un punto donde el agua ha disipado una porción específica conocida como su potencial.

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Líneas Equipotenciales:

Son la traza de las superficies equipotenciales al ser cortadas por el plano en que se dibuja la red de flujo son las líneas que conectan todos esos puntos de igual carga. Dichas líneas se asemejan a curvas de nivel de igual energía.

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Ecuación de Laplace:

Esta es la ecuación general del flujo o ecuación de Laplace, para el plano, según la cual se reacciona al movimiento de los líquidos en medios porosos.

Resolución de la Ecuación de Laplace: Los métodos para la determinación de las redes de flujo son: a) Métodos Analíticos: Resultantes de la integración de la ecuación diferencial del flujo. Solamente aplicable en algunos casos simples, debido a la complejidad del tratamiento matemático. b) Solución Numérica: Aplicación de los métodos numéricos para la solución de la ecuación de Laplace a través de programas de ordenador. Por ejemplo, el modelo de los Elementos Finitos: creada una red de elementos finitos, se puede calcular con razonable precisión la carga total en cada punto. c) Modelos Reducidos: Consiste en construir en un tanque con paredes transparentes un modelo reducido del medio que va a sufrir la filtración. d) Solución Gráfica: Es el más común de los métodos (Redes de Flujo). Para cualquier método adoptado se vuelve necesario definir previamente las condiciones límites (de contorno) de la filtración que generalmente son:  

Superficie de entrada y superficie de salida: líneas equipotenciales. Líneas de flujo superior y líneas de flujo inferior. o 1 – 2: línea equipotencial o 6 – 7: línea equipotencial o 2 – 3 – 4 – 5 – 6: línea de flujo superior o 8 – 9: línea de flujo inferior

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Método Gráfico

Consiste en el trazado a mano alzada de las diversas posibles líneas de flujo y equipotenciales. Las líneas equipotenciales cortan las líneas de flujo en ángulos rectos, donde los elementos generados son aproximadamente cuadrados. 

La red de flujo define:

o Número de canales de flujo (Nf) o Número de franjas de pérdida de potencial (Nd) Para una red de figuras cuadradas:

Ejemplo: Calculemos el flujo de agua que atraviesa el suelo por debajo de la cortina de estacas.

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CAPITULO III

3.1. PERMEABILIDAD Propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire, considerada una de las cualidades más importantes.

Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estanque es preciso aplicar técnicas de construcción especiales. Por lo general, los suelos se componen de capas y, a menudo, la calidad del suelo varía considerablemente de una capa a otra.

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Factores que afectan a la permeabilidad del suelo:

Muchos factores afectan a la permeabilidad del suelo. En ocasiones, se trata de factores en extremo localizados, como fisuras y cárcavas. Las observaciones sobre la textura del suelo, su estructura, consistencia, color y manchas de color, la disposición por capas, los poros visibles y la profundidad de las capas impermeables como la roca madre y la capa de arcilla, constituyen la base para decidir si es probable que las mediciones de la permeabilidad sean representativas 

Permeabilidad del suelo relacionado con la textura y estructura:

El tamaño de los poros del suelo reviste gran importancia con respecto a la tasa de filtración (movimiento del agua hacia dentro del suelo) y a la tasa de percolación (movimiento del agua a través del suelo). El tamaño y el número de los poros guardan estrecha relación con la textura y la estructura del suelo y también influyen en su permeabilidad.

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Variación de la permeabilidad según la textura del suelo Por regla general, como se muestra a continuación, mientras más fina sea la textura del suelo, más lenta será la permeabilidad:

Variación

de

la

permeabilidad

según la

estructura

del

suelo

La estructura puede modificar considerablemente las tasas de permeabilidad mostradas anteriormente de la forma siguiente:

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Clases de permeabilidad del suelo

La permeabilidad del suelo suele medirse en función de la velocidad del flujo de agua a través de éste durante un período determinado. Generalmente se expresa o bien como una tasa de permeabilidad en centímetros por hora (cm/h), milímetros por hora (mm/h), o centímetros por día (cm/d), o bien como un coeficiente de permeabilidad en metros por segundo (m/s) o en centímetros por segundo (cm/s).

Ensayo sencillo de campo para estimar la permeabilidad del suelo    

Excave un hoyo hasta la altura de la cintura En las primeras horas de la mañana llénelo de agua hasta el borde Por la noche, parte del agua se habrá filtrado en el suelo Vuelva a llenar el hoyo de agua basta el borde y cúbralo con tablas o ramas frondosas  Si a la mañana siguiente la mayor parte del agua permanece en el hoyo, la permeabilidad del suelo es apta para construir un estanque piscícola en ese lugar  Repita este ensayo en diferentes lugares las veces que sea necesario de acuerdo con la calidad del suelo

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CAPITULO IV 4.1. CAPACIDAD PÓRTANTE DEL SUELO

En mecánica de suelos se denomina capacidad portante a la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él. Técnicamente la capacidad portante es la máxima presión que sufre un terreno, evita que produzcan un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto, la capacidad portante admisible debe estar basada en uno de los siguientes criterios funcionales: 

Si la función del terreno de cimentación es soportar una determinada tensión independientemente de la deformación, la capacidad portante se denominará carga de hundimiento. Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensión aplicada al terreno y la deformación sufrida por éste, deberá calcularse la capacidad portante a partir de criterios de asiento admisible.

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De manera análoga, la expresión capacidad portante se utiliza en las demás ramas de la ingeniería para referir a la capacidad de una estructura para soportar las cargas aplicadas sobre la misma, en geología la capacidad portante de un suelo nos permite saber la capacidad de soporte del terreno, cuando este se ve afectado directamente estamos frente a un caso de disminución de la capacidad portante como veremos continuación. 

Variación de la capacidad portante por causa del agua

Las diversas características y factores que son influyentes para la determinación de la capacidad portante del suelo, ya sean los parámetros geotécnicos, la profundidad de la cimentación, así como la geometría, son aquellos de los cuales depende mucho la estabilidad y la toma de decisiones para el ingeniero. Las propiedades mecánicas de un terreno suelen diferir frente a cargas que varían (casi)instantáneamente y cargas casi permanentes. Esto se debe a que los terrenos son porosos, y estos poros pueden estar total o parcialmente saturados de agua. En general los terrenos se comportan de manera más rígida frente a cargas de variación casi instantáneamente ya que éstas aumentan la presión intersticial, sin producir el desalojo de una cantidad apreciable de agua. En cambio bajo cargas permanentes la diferencia de presión intersticial entre diferentes partes del terreno produce el drenaje de algunas zonas. En el cálculo o comprobación de la capacidad portante de un terreno sobre el que existe una construcción debe atenderse al corto plazo (caso sin drenaje) y al largo plazo (con drenaje). En el comportamiento a corto plazo se desprecian todo los términos excepto la cohesión última, mientras que en la capacidad

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portante a largo plazo (caso con drenaje) es importante también el rozamiento interno del terreno y su peso específico 4.1.2. Para suelos semi saturados o parcialmente saturados Las cimentaciones superficiales se colocan por encima del nivel freático y la variación de las tensiones con respecto a la profundidad, asociada con las cargas de las estructuras superiores se distribuye a través de la subestructura (cimentaciones superficiales) en suelos que están en un estado de condición parcialmente saturada. Los resultados del estudio muestran que la capacidad de carga y el comportamiento de asentamiento de estos suelos parcialmente saturados están significativamente influenciados por la succión, tensión sobrecarga y dilatación. 

Conductividad hidráulica en suelos parcialmente saturados

Esta Conductividad hidráulica ocurre sobre el nivel freático, donde los poros se encuentran parcialmente llenos de agua por lo que su contenido de agua es inferior a la porosidad y la presión del fluido es menor a la atmosférica. Entonces se puede decir que la ley de Darcy es válida para flujo de agua en medios parcialmente saturados, siempre y cuando se tenga en cuenta la dependencia de la conductividad hidráulica con el contenido de humedad.  LEY DE DARCY En 1856, Henri Philibert Gaspard Darcy publicó una ecuación empírica simple para la velocidad de descarga del agua a través de los suelos saturados. Esta ecuación se basa principalmente en las observaciones que Darcy hace sobre el flujo de agua a través de arenas limpias y se da como: 𝑉 = 𝐾𝑖 donde: V: velocidad de descarga, que es la cantidad que fluye por unidad de tiempo a través de un área de sección transversal unitaria K: conductividad hidráulica ( también se conoce como coeficiente de permeabilidad.

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4.1.3. Para suelos saturados Aunque no son exactamente iguales, describen íntegramente el comportamiento de este factor en los suelos. Para lo que es necesario hablar sobre la fórmula de terzaghi, ya que nos encontramos frente un terreno difícil de trabajar y hay que determinar cómo afecta el agua en la capacidad de soporte de este suelo. 

Conductividad hidráulica en suelos totalmente saturados

El movimiento del agua en el suelo se controla por dos factores: la resistencia de la matriz del suelo para fluir agua, y las fuerzas que actúan en cada elemento o unidad de agua del suelo. La ley de Darcy, la ecuación fundamental que describe el movimiento de agua en el suelo, relaciona la proporción de flujo con estos dos factores. El flujo saturado ocurre cuando la presión del agua de poros es positiva; es decir, cuando el potencial matricial del suelo es el cero. En la mayoría de suelos esta situación tiene lugar cuando aproximadamente el 95% del espacio del poro total está lleno con agua. El restante 5% está lleno con el aire atrapado.  MÉTODO DE TERZAGHI Terzaghi, prosiguiendo el estudio de Caquot, ha aportado algunos cambios para tener en cuenta las características efectivas de toda la obra de cimentación terreno. Bajo la acción de la carga transmitida por la cimentación, el terreno que se encuentra en contacto con la cimentación misma tiende a irse lateralmente, pero resulta impedido por las resistencias tangenciales que se desarrollan entre la cimentación y el terreno. Esto comporta un cambio del estado tensional en el terreno puesto directamente por debajo de la cimentación; para tenerlo en cuenta, Terzaghi asigna a los lados AB y EB de la cuña de Prandtl una inclinación respecto a la horizontal, seleccionando el valor de en función de las características mecánicas del terreno al contacto terreno-obra de cimentación. De esta manera se supera la hipótesis 2 =0 para el terreno por debajo de la cimentación. Admitiendo que las superficies de rotura resten inalteradas, la expresión de la carga última entonces es:

donde C es un coeficiente que resulta función del ángulo de rozamiento interno del terreno puesto por debajo del nivel de cimentación y del ángulo antes definido; b es la semianchura de la franja. MÉCANICA DE SUELOS

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Además, basándose en datos experimentales, Terzaghi pasa del problema plano al problema espacial introduciendo algunos factores de forma. Una sucesiva contribución sobre el efectivo comportamiento del terreno ha sido aportada por Terzaghi. En el método de Prandtl se da la hipótesis de un comportamiento del terreno rígido-plástico, en cambio Terzaghi admite este comportamiento en los terrenos muy compactos. En éstos, de hecho, la curva cargas-asentamientos presenta un primer tracto rectilíneo, seguido por un breve tracto curvilíneo (comportamiento elásticoplástico); la rotura es instantánea y el valor de la carga límite resulta claramente individuado (rotura general). En un terreno muy suelto en cambio la relación cargas-asentamientos presenta un tracto curvilíneo acentuado desde las cargas más bajas por efecto de una rotura progresiva del terreno (rotura local). Como consecuencia la individualización de la carga límite no es tan clara y evidente como en el caso de los terrenos compactos. Para los terrenos muy sueltos, Terzaghi aconseja tener en consideración la carga última; el valor que se calcula con la fórmula anterior pero introduciendo valores reducidos de las características mecánicas del terreno y precisamente:

Haciendo explícitos los coeficientes de la fórmula anterior, la fórmula de Terzaghi se puede escribir así:

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CONCLUSIONES

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Mediante el tema, hemos analizado el flujo de agua a través de los espacios vacíos en el suelo. La conductividad hidráulica varía en un amplio intervalo, dependiendo del tipo de suelo. Las rocas compactas permitirán el flujo de agua solo a través de fisuras, mientras que, en las rocas porosas, el flujo se dará a través de intersticios intergranulares o poros. El agua ejerce importantes acciones, tanto para la formación del suelo.

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BIBLIOGRAFIA

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