ING. SANCHEZ CHEVARRIA DANIEL INTRODUCCIÓN Los suelos y las rocas no son sólidos ideales, sino que
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ING. SANCHEZ CHEVARRIA DANIEL
INTRODUCCIÓN Los suelos y las rocas no son sólidos ideales, sino que forman sistemas con 2 ó 3 fases: partículas sólidas y gas, partículas sólidas y líquido, o bien, partículas sólidas, gas y líquido. El líquido es normalment e agua y el gas se manifiesta a través de vapor de agua. Por lo tanto, se habla de medios porosos. A estos medios se los caracteriza a través de su porosidad y a su vez esta propiedad condiciona la permeabilidad del medio o del material en estudio. Se dice que un material es permeable cuando contiene vacíos continuos, estos vacíos existen en todos los suelos, incluyendo las arcillas más compactas, y en todos los materiales de construcción no metálicos, incluido el granito sano y la pasta de cemento, por lo tanto, dichos materiales son permeables. La circulación de agua a través de la masa de éstos obedece aproximadament e a leyes idénticas, de modo que la diferencia entre una arena limpia y un granito es, en este concepto, solo una diferencia de magnitud. La permeabilidad de los suelos, es decir la facultad con la que el agua pasa a través de los poros, tiene un efecto decisivo sobre el costo y las dificultades a encontrar en muchas operaciones constructivas, como los son, por ejemplo, las excavaciones a cielo abierto en arena bajo agua o la velocidad de consolidación de un estrato de arcilla bajo el peso de un terraplén, de allí la importancia de su estudio y determinación, aspectos que se desarrollarán a continuación.
PERMEABILIDAD DEFINICION ➢ Definimos permeabilidad como la capacidad de un cuerpo (en términos particulares, un suelo) para permitir en su seno el paso de un fluido (en términos particulares, el agua) sin que dicho tránsito altere la estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina objetivamente mediante la imposición de un gradiente hidráulico en una sección del cuerpo, y a lo largo de una trayectoria determinada. ➢ El concepto permeabilidad puede recibir también las acepciones de conductividad o transmisividad hidráulica, dependiendo del contexto en el cual sea empleado. 1. PERMEABILIDAD EN SUELOS La permeabilidad se cuantifica en base al coeficiente de permeabilidad, definido como la velocidad de traslación del agua en el seno del terreno y para un gradiente unitario. El coeficiente de permeabilidad puede ser expresado según la siguiente función: k=Q/IA Donde: – k: coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica [m/s] – Q: caudal [m3/s] – I: gradiente [m/m] – A: sección [m2) ➢ En proyectos de ingeniería y arquitectura, las unidades con las que se expresa generalmente el coeficiente de permeabilidad son cm/s y m/s; en los ámbitos de la hidráulica o la hidrogeología es habitual observar notaciones como cm/dia, m/año y similares. ➢ Son diversos los factores que determinan la permeabilidad del suelo, entre los cuales, los más significativos son los siguientes:
– Granulometría (tamaño de grano y distribución granulométrica.) – Composición química del material (naturaleza mineralógica) ➢ Como regla general podemos considerar que a menor tamaño de grano, menor permeabilidad, y para una granulometría semejante (arenas, por ejemplo) a mejor gradación, mayor permeabilidad. En cuanto al quimismo, y para el caso de arcillas y limos, la presencia de ciertos cationes (Sodio, Potasio) es un factor que disminuye la permeabilidad en relación a otros (Calcio, Magnesio). ➢ A efectos únicamente indicativos, el DB SE-C propone los siguientes rangos de variación para la permeabilidad en función del tipo de terreno (tabla D28): kz: coeficiente de permeabilidad vertical (se asume que la anisotropía de los suelos, especialment e de las arcillas estratificadas, puede comportar variaciones significativas en la magnitud del coeficiente de permeabilid ad medido en el plano horizontal.) FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA VELOCIDAD DEL FLUJO:
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La porosidad del material. La densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura. La presión a que está sometido el fluido.
POROSIDAD DEL SUELO
➢ Se define como el espacio de suelo que no está ocupado por solidos y se expresa en porcentajes. Se define también como la porción de suelo que está ocupada por aire y/o por agua. En suelos secos los poros estarán ocupados por aire y en suelos inundados, por agua. Los factores que la determinan son principalment e la textura, estructura y la cantidad de materia orga nica (Donoso, 1992). ➢ Los poros que constituyen el espacio poroso del suelo se encuentran en un rango continuo de tamaño, sin embargo se dividen usualmente en dos tipos: los macroporos y los microporos o poros capilares. La tasa de movimiento del agua y del aire a través del suelo es determinada, en gran medida, por el tamaño de los poros. Los macroporos facilitan una rápida percolación del agua y el movimiento del aire, en tanto que los microporos dificultan el movimiento del aire y retienen gran cantidad de agua por capilaridad; por consiguient e, los microporos son muy importantes en lo que se refiere a la retención del agua en el suelo, y los macroporos son de gran valor en lo que se refiere a la aireación v al drenaje interno del suelo. (Donoso, 1992). ➢ La diferencia que existe en dos suelos con la misma porosidad total, pueden ser muy diferentes en cuanto a su comportamient o frente al agua y al aire. Así, por ejemplo, un suelo puede tener un volumen muy pequeño de macroporos y uno mucho mayor de microporos, en cuyo caso se tendrá mucha capacidad de retención de agua, pero muy lenta percolación y poca aireación. Los suelos arcillosos son de este tipo a pesar del gran volumen total de poros. Un suelo con el mismo volumen combinado de poros puede tener una relación inversa de macroporos y microporos; en este caso la infiltración y percolación del agua serán rápidas, habrá muy poca retención de agua y el suelo estará bien aireado. Los suelos arenosos tienen estas características debido a la dominancia en ellos de los macroporos. ➢ El espacio poroso de los suelos forestales está corrientemente ocupado por aire y agua en proporciones que cambian con frecuencia. La porosidad de estos suelos fluctúa entre 30y 65 % (Wilde, 1959) citado por Donoso, 1997 , siendo más porosos los suelos de texturas medias a finas y menos los suelos de texturas gruesas. ➢ La porosidad del suelo tiene importancia especial porque constituye el medio por el cual el agua penetra al suelo y pasa a través de él para abastecer a la raíces y finalmente drenar el área; y también el espacio donde las raíces de las plantas y la fauna tienen una atmósfera es decir, constituye la fuente de donde aquéllos obtienen el aire.
CLASIFICACION DE LOS SUELOS EN PERMEABLES E IMPERMEABLES: PROPIEDADES FISICAS DEL SUELO ➢ Como se ha explicado, el suelo es una mezcla de materiales sólidos, líquidos (agua) y gaseosos (aire). La adecuada relación entre estos component es determina la capacidad de hacer crecer las plantas y la disponibilidad de suficientes nutrientes para ellas. La proporción de los component es determina una serie de propiedades que se conocen comopropiedades físicas o mecánicas del suelo: textura, estructura, consistencia, densidad, aireación, temperatura y color. ➢ La textura depende de la proporción de partículas minerales de diverso tamaño presentes en el suelo. Las partículas minerales se clasifican por tamaño en cuatro grupos: · Fragmentos rocosos: diámetro superior a 2 mm, y son piedras, grava y cascajo. · Arena: diámetro entre 0,05 a 2 mm. Puede ser gruesa, fina y muy fina. Los granos de arena son ásperos al tacto y no forman agregados estables, porque conservan su individualidad. · Limo: diámetro entre 0,002 y 0,5 mm. Al tacto es como la harina o el talco, y tiene alta capacidad de retención de agua.
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· Arcilla: diámetro inferior a 0,002 mm. Al ser humedecida es plástica y pegajosa; cuando seca forma terrones duros. La estructura es la forma en que las partículas del suelo se reúnen para formar agregados. De acuerdo a esta característica se distinguen suelos de estructura esferoidal (agregados redondeados), laminar (agregados en láminas), prismática (en forma de prisma), blocosa (en bloques), y granular (en granos). La consistencia se refiere a la resistencia para la deformación o ruptura. Según la resistencia el suelo puede ser suelto, suave, duro, muy duro, etc. Esta característica tiene relación con la labranza del suelo y los instrument os a usarse. A mayor dureza será mayor la energía (animal, humana o de maquinaria) a usarse para la labranza. La densidad se refiere al peso por volumen del suelo, y está en relación a la porosidad. Un suelo muy poroso será menos denso; un suelo poco poroso será más denso. A mayor contenido de materia orgánica, más poroso y menos denso será el suelo. La aireación se refiere al contenido de aire del suelo y es importante para el abastecimiento de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono en el suelo. La aireación es crítica en los suelos anegados. Se mejora con la labranza, la rotación de cultivos, el drenaje, y la incorporación de materia orgánica. La temperatura del suelo es importante porque determina la distribución de las plantas e influye en los procesos bióticos y químicos. Cada planta tiene sus requerimient os especiales. Encima de los 5º C es posible la germinación. El color del suelo depende de sus component es y puede usarse como una medida indirecta de ciertas propiedades. El color varía con el contenido de humedad. El color rojo indica contenido de óxidos de fierro y manganeso; el amarillo indica óxidos de fierro hidratado; el blanco y el gris indican presencia de cuarzo, yeso y caolín; y el negro y marrón indican materia orgánica. Cuanto más negro es un suelo, más productivo será, por los beneficios de la materia orgánica.
LEY DE DARCY La Ley de Darcy describe, con base en experimentos de laboratorio , las características del movimiento del agua a través de un medio poroso. La expresión matemática de la Ley de Darcy es la siguiente: Donde: = gasto, descarga o caudal en m3/s. = longitud en metros de la muestra. = una constante, actualment e conocida como coeficiente de permeabilidad de Darcy, variable en función del material de la muestra, en m/s. = área de la sección transversal de la muestra, en m2. = altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a la entrada de la capa filtrante.
= altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a la salida de la capa filtrante.
VALIDEZ DE LA LEY DE DARCY
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La ley de Darcy es válida en un medio saturado, continuo, homogéneo e isótropo y cuando las fuerzas inerciales son despreciables (Re