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• Heydin Luna Aguinaga

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERIA “ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL”

“CAPILARIDAD ”

CURSO:

MECÁNICA DE SUELOS

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INDICE Página I.

RESUMEN ................................................................................................................................... 2

II.

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 3

III.

OBJETIVOS .............................................................................................................................. 4

IV.

ANTECEDENTES ...................................................................................................................... 5

V.

MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................ 6 b.

Tensión superficial: ................................................................................................................ 7

c.

Ángulo de contacto .............................................................................................................. 10

d.

Ascensión capilar .................................................................................................................. 11

VI.

METODOLOGÍA..................................................................................................................... 15

VII.

CONCLUSIONES .................................................................................................................... 16

VIII.

BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 17

1 MECÁNICA DE SUELOS

I. RESUMEN

En el presente trabajo nos enfocamos en estudiar de manera general la capilaridad de los suelos. La capilaridad es una propiedad hidráulica importante de los suelos, y de forma específica, sus características y la forma en que se produce el fenómeno capilar, la tensión superficial, su ángulo de contacto y la ascensión capilar, además de las metodologías más utilizadas para medir la capilaridad de los suelos. En el Perú no existe norma específica que detalle el procedimiento, es por ello por lo que se ha propuesto una metodología, la más usada, para medir la capilaridad de aquellos suelos que presenten partículas finas, debido a que los suelos finos por tener partículas más pequeñas son los que se comportan como tubo capilar, en los suelos con grava gruesa no se procederá el fenómeno de capilaridad.

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II. INTRODUCCIÓN Cuando se trata de los líquidos, su superficie se comporta como si fuera una membrana clástica tensa, propiedad que se conoce como tensión superficial. Esto se debe a que cualquier partícula en el seno de un líquido se encuentra rodeada de otras partículas que ejercen sobre ellas fuerzas iguales en todas direcciones, por lo que se equilibran entre sí; otras partículas que se encuentran en la superficie libre, solo están rodeadas por un lado por partículas que, al atraerla hacen que aparezcan fuerzas laterales en todas las direcciones que tienden a disminuir el área de la superficie libre de líquido, y una fuerza hacia el interior de líquido que tiende a disminuir su volumen . (Crespo, 2004) A muchas personas, al menos de una vez en su vida, se les ha roto un termómetro de mercurio, hecho lamentable un poco por su valor y otro tanto por lo costoso que es juntar las pelotitas que forma el material sobre la superficie en que se derramó, pero ¿alguien alguna vez se preguntó por qué esta sustancia forma esas bolillitas? Esto sucede debido a la tensión superficial, una propiedad específica de la materia. (Juarez & Rico, 2005) Una de las propiedades de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le considere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cundo sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza o cohesión intermoleculares entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad. (Juarez & Rico, 2005) Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

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III. OBJETIVOS  GENERAL: Conocer las consecuencias del fenómeno de la capilaridad con respecto a la composición de los suelos.  ESPECÍFICOS:  Definir los conceptos de capilaridad, ángulo de contacto, tensión superficial, ascensión capilar.  Conocer los ensayos que se utilizan para determinar la capilaridad en los suelos.

 Determinar los factores que influyen en la capilaridad de los suelos.

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IV. ANTECEDENTES - Ortiz (2011), en su tesis “INFLUENCIA DE LA HUMEDAD EN EL DETERIORO DE LAS VIVIENDAS DEL BARRIO OBRERO DE LA CIUDAD DE PUYO, CANTÓN PASTAZA, PROVINCIA DE PASTAZA.”, por la Universidad Técnica de Ambato, realizo un estudio para estudiar los problemas causados por la humedad en las viviendas del barrio Obrero de la ciudad de Puyo, cantón Pastaza, Provincia de Pastaza; en donde se determinó que los suelos estudiados poseen un contenido de humedad muy elevado de 47%, 110% y 289 %, por lo que el alto nivel freático en los suelos del sector hace que la humedad en su mayoría se infiltre en las viviendas y las deteriore. - Fernández (2008), en su tesis “HUMEDAD PROVENIENTE DEL SUELO EN EDIFICACIONES”, por la Universidad de Chile, realizo un estudio para mejorar las condiciones de serviciabilidad de las edificaciones, previniendo el problema de humedad por ascensión capilar o corrigiéndolo si es que ya se ha presentado; concluyendo que los problemas provocados por la humedad proveniente del suelo en las viviendas existen y afectan a cuatro de cada diez viviendas en la provincia de Santiago. Frente a esto la principal explicación es que durante el proceso constructivo de las viviendas afectadas muy probablemente no se tomaron las medidas preventivas necesarias y que las soluciones correctivas no logran erradicar dichos problemas. - García (1995) en su tesis “ METODOLOGÍA DE DIAGNÓSTICO DE HUMEDADES DE CAPILARIDAD ASCENDENTE Y CONDENSACIÓN HIGROSCÓPICA, EN EDIFICIOS HISTÓRICOS”, por la Universidad Politécnica de Madrid, en donde propone una metodología de análisis de los problemas de humedades en edificios históricos, en donde concluye que logró demostrar que el método es eficaz, si se cumplen las condiciones de cierta estabilidad higrotérmica en el interior (temperatura y humedad relativa bastante constantes durante una semana). Además, esta condición se cumple en edificios históricos sin calefacción, y cuyos muros tengan un cierto espesor. 5 MECÁNICA DE SUELOS

V. MARCO TEÓRICO a. Fenómeno capilar:

La capilaridad es la ascensión que tiene un líquido al estar en contacto con las paredes de un tubo de diámetro pequeño denominado tubo capilar, debido al fenómeno de la tensión superficial. Mientras que la acción capilar, el movimiento del agua dentro de los espacios de un material poroso, debido a las fuerzas de adhesión y la tensión de la superficie. La acción capilar ocurre debido a que las moléculas del agua se pegan unas a otros, y a otras sustancias como el vidrio, tejidos orgánicos y la tierra. Esto se debe a fuerzas cohesivas, es decir, fuerzas moleculares del líquido; y a fuerzas adhesivas que unen al líquido con la superficie del tubo capilar A menor diámetro mayor altura alcanza el líquido. Esto es, el diámetro está en proporción inversa a la ascensión capilar del líquido. (Crespo, 2004) CAPILARIDAD EN SUELOS Para entender porque el agua llega a diferentes elevaciones en distintos tipos de suelos es necesario recurrir a un experimento simple. Se colocan los extremos de dos tubos de vidrio transparentes (tubos capilares) de distinto radio en una cuba de agua. Minutos después los niveles de agua en cada tubo, se observa que el agua ha entrado a los tubos y se ha elevado más allá del nivel de la cuba, además el nivel en el tubo más delgado se ha elevado significativamente más que el tubo con mayor radio. De aquí se concluye que el nivel de agua depende del radio. (Das, 1998)

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La Importancia de los Fenómenos Capilares:  En

la construcción de pavimentos de carreteras: si el terreno donde se funda un pavimento está constituido por un suelo limoso y el nivel freático está poco profundo, para evitar la ascensión capilar de agua es necesario substituir el material limoso por otro con menor potencial de capilaridad.  La contracción de los suelos: Cuando toda la superficie de un suelo está sumergida en agua, no hay fuerza capilar, pues α = 90º. Sin embargo, a medida que el agua va siendo evaporada, se van formando meniscos apareciendo fuerzas capilares que aproximan las partículas.  Cohesión aparente de arenas húmedas: Si la arena fuese seca o saturada, la cohesión se deshace. Los meniscos se deshacen cuando el movimiento entre los granos aumenta y las deformaciones son muy grandes. (Das, 1998)

a. Tensión superficial: Es un fenómeno físico, que se da en el interior del líquido, en donde cada molécula se encuentra rodeada por otras moléculas en todas las direcciones, de modo que sus fuerzas atractivas (compresión) entre ellas se compensan, en cambio en la superficie al no haber más partículas finas, estas se contraen con más fuerza, formando una fina capa. Cuando se altera la forma de la superficie de un líquido, de manera que el área aumente, es preciso realizar para ello un trabajo: este se recupera cuando la superficie se retrae a su forma primitiva, de modo que la superficie en cuestión resulta capaz de almacenar energía potencial. El trabajo necesario para aumentar el +área de una superficie liquida resulta ser, experimentalmente, proporciona al aumento, definiéndose como coeficiente de tensión superficial la relación entre ambos conceptos.

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Tₐ es el coeficiente mencionado, que se mide en unidades de trabajo o energía entre unidades de área, o sea, por ejemplo, en dinas/cm. representa la fuerza por unidad de longitud, en cualquier línea sobre la superficie. Puede probarse que cuando un líquido presenta al aire una superficie curva, se genera en ese menisco curvo un desnivel de depresión, de modo que la presión en el lado convexo es siempre menor que la existencia en el lado cóncavo. Una demostración particular de esta afirmación, para el caso de un menisco semiesférico se da a continuación. En el Anexo VIIIa aparecer una demostración general, para una superficie cualquiera.

En el dispositivo de la fi. VIII-1 se inyecta a un tubo de pequeño diámetro (q mm aproximadamente) a través la boquilla, a la presión p. El líquido enrasado en el extremo del tubo cede por la presión formando un menisco, que provoca un aumento en la superficie que encierra al tubo. Se demuestra que inmediatamente antes de que el menisco se rompa al crecer p, adopta la forma de una semiesfera. Se pondrá al dispositivo, en lo que sigue, en esa condición.

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El área de la semiesfera es:

Siendo R el radio del menisco formado, que es igual al radio del tubo.

Si ese radio varía a, el área de la esfera se incrementará en

Y según (8-1), el trabajo necesario para lograr ese incremento será

En el lado cóncavo del tubo existe la presión p, mientras en la convexa obra Pᴀ = presión atmosférica, si se desprecia el pequeño aumento de presión hidrostática con la profundidad, bajo la superficie libre del líquido que rodea al tubo. Considérese un elemento del área del menisco (dS) fuerza neta que obra en esa área es:

La

Y cuando el área del menisco se incrementa dA, esa fuerza realizará un trabajo

Ya que dR es la distancia radial recorrida por el menisco. El trabajo total realizado en el incremento dA se puede obtener integrando la expresión anterior a toda el área del menisco, de modo que:

Las expresiones (8-2) y (8-3) pueden igualarse:

9 MECÁNICA DE SUELOS

De donde:

La fórmula (8-4) indica que la presión Pᴀ en el lado convexo del menisco es siempre menor que la presión p en el cóncavo, que en el caso de este experimento fue proporcionada con aire comprimido introducido en el tubo. Puede verse en el Anexo VIII-a que la fórmula (8-4) es caso particular, para menisco esférico, de la fórmula de Laplace, más general, válida para una superficie de forma cualquiera.” (Juarez & Rico, 2005)

b. Ángulo de contacto Juárez y Rico (2012) nos hablan acerca del ángulo de contacto e indican que este se forma a partir de la resultante generada por la fuerza de cohesión y adhesión, que se da en el contacto de un líquido abierto al aire con una pared. La fuerza de cohesión es debida a la acción de las moléculas de líquido y la de adhesión es generada por las moléculas de las paredes del recipiente. Así tenemos que el ángulo de contacto es la formación del ángulo entre el menisco con la pared del recipiente que alberga el líquido. El agua destilada con el vidrio limpio y húmedo forman un ángulo aproximado de 0°, el mercurio en contacto con el vidrio forma ángulos menores de 140°, la plata limpia y el agua forman ángulos muy cercanos a 90°. (Crespo, 2004)

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c. Ascensión capilar La ascensión capilar del agua en un suelo que se encuentra sobre el nivel freático subterráneo se debe al efecto combinado de la tensión capilar y la presión hidrostática. Luego la altura capilar se determina igualando la presión hidrostática y la presión capilar máxima. (Crespo, 2004) Para determinar la altura de ascensión se hará el uso de series de ecuaciones de física: Se considera una primera condición de equilibrio, involucrando las fuerzas verticales que actúan. (Das, 1998) ⅀Fuerzas verticales = 0 V=TS*Cosα Donde: V: Tensión superficial vertical TS: Tensión superficial α: Angulo que forma la TS con respecto a V

 La tensión superficial en términos de fuerza: V = π*𝜑𝑡𝑢𝑏𝑜 *TS*cosα  Ahora se encontrará el peso de la columna de agua (w): 11 MECÁNICA DE SUELOS

W=

𝜋∗(𝜑𝑡𝑢𝑏𝑜 )^2 4

∗ 𝐻 ∗ 𝑌𝐻20

 Igualemos ambos términos, con el fin de mantener en equilibrio entre las fuerzas: Π*∅𝑡𝑢𝑏𝑜 *TS*cosα =

𝜋∗(∅2𝑡𝑢𝑏𝑜 ) 4

*H*𝑌𝐻20

 Redondeando la ecuación y despejando nuestra incógnita “H”, obtenemos: H=

2∗𝑇𝑆∗𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑌𝐻20 ∗∅𝑡𝑢𝑏𝑜

Para simplificar más la ecuación de ascensión capilar (H) se da a continuación algunos valores establecidos para la tensión superficial (TS), así como el peso específico del agua.  Valor de la tensión superficial (agua-vidrio: TS = 7.28*(10−7 ) KN/cm  Valor del peso específico del agua: ϒ𝐻20 = 9.81 * 10−6 KN/𝑐𝑚3  Reemplazando los valores de la tensión superficial y peso específico se obtiene: H=  Finalmente:

4∗(7.28∗(10−7 ))∗cosα 9.81 ∗ 10−6 ∗𝜑𝑡𝑢𝑏𝑜

H = 0.2968*𝜑𝑡𝑢𝑏𝑜 Donde: 𝜑: 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑒𝑚𝑝𝑙𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑐𝑚 (Das, 1998)

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ASCENCIÓN CAPILAR EN EL SUELO: Los continuos espacios vacíos del suelo pueden comportarse conjunto como tubos capilares con secciones transversales diferentes. En contraste con lo que ocurren con los tubos, los vacíos continuos del suelo se comunicaran entre sí en toda dirección, constituyendo un enrejado de vacíos. ASCENSO CAPILAR EN EL SUELO (TERZAGHI Y PECK)

 Figura (a): Se presenta una columna de suelo en contacto con el agua, en la parte inferior ha sido protegida para evitar que el suelo salga pero que permite el contacto con el agua, mientras que el extremo superior queda expuesto a la atmosfera. Algún tiempo después de poner en contacto la parte inferior del tubo con el agua, en la figura se muestra que el agua asciende capilarmente hasta una altura máxima (h), muestra de suelo está completamente saturado (fase saturada).  Figura (b): Variación del grado de saturación en la columna de suelo, se muestra que cierta región de suelo también fue saturada, lo cual se denomina “parcialmente saturado” (fase húmeda). 13 MECÁNICA DE SUELOS

 Figura (c): Variación de la velocidad de ascenso capilar en el suelo, se muestra la velocidad de ascenso capilar en relación de su altura (ascenso capilar “h”). Ascensión capilar máxima según “Allen Hazen”: Allen Hazen (1990) obtuvo una ecuación que permite determinar el máximo ascenso capilar de agua en el suelo, la cual se presenta a continuación: hc:

𝑐 𝑒∗𝐷10

Donde: hc: Máximo ascenso capilar en el suelo c: Constante de Hazen e: Índice de vacíos D10: Tamaño efectivo

Se presenta una tabla con rangos aproximados del ascenso capilar para diversos suelos:

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VI. METODOLOGÍA  MATERIALES: - Muestras de suelos - 6 cilindros - Papel absorbente - Agua destilada - Papel filtro de velocidad media - Bandejas - Tijeras  PROCEDIMIENTO: - Tamizamos las muestras de suelos - Después se cella el cilindro por un lado con un papel filtro de velocidad media. - Ponemos las muestras en cada cilindro y le colocamos un número para identificarlos. - En la bandeja vertemos agua destilada, colocamos los cilindros y cronometramos el tiempo hasta que la superficie se humedezca - Por ultimo calculamos la altura capilar mediante la ley de Jurin: H= Donde:    

2∗𝑇𝑆∗𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑌𝐻20 ∗∅𝑡𝑢𝑏𝑜

TS: Tensión Superficial. α: Ángulo de contacto ∅𝑡𝑢𝑏𝑜 : Radio del tubo. 𝑌𝐻20 : Densidad del agua.

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VII. CONCLUSIONES

 Definimos los conceptos de capilaridad, ángulo de contacto, tensión superficial y ascensión capilar; así como también su importancia.  Comprendimos los procedimientos y materiales a usar en la determinación de la capilaridad de los suelos.

 Determinamos que la capilaridad depende de la tensión superficial.

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VIII. BIBLIOGRAFÍA Crespo, C. (2004). Mecánica de suelos y cimentaciones . México : Limusa. Das, C. (1998). Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. México: Limusa. Fernández, F. (2008). HUMEDAD PROVENIENTE DEL SUELO EN EDIFICACIONES. Santiago de Chile. García, F. (1995). METODOLOGIA DE DIAGNOSTICO DE HUMEDADES DE CAPILARIDAD ASCENDENTE Y CONDENSACION HIGROSCOPICA, EN EDIFICIOS HISTORICOS. Madrid. Juarez, C., & Rico, C. (2005). Mecánica de Suelos. México: Limusa. Ortiz, C. (2011). INFLUENCIA DE LA HUMEDAD EN EL DETERIORO DE LAS VIVIENDAS DEL BARRIO OBRERO DE LA CIUDAD DE PUYO, CANTON PASTAZA, PROVINCIA DE PASTAZA. Ambato.

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