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• Angel Hinostroza Silva

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"AÑO DE LA LUCHA CONTRA LA CORRUPCIÓN E IMPUNIDAD" “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” FACULTAD DE INGENIERIA EP. INGENIERIA CIVIL

“REDES DE FLUJO INVESTIGACION DE SULO: SIFONAMIENTO Y TUBIFICACION EFECTO DEL HIELO EN EL SUELO”

Curso: Mecánica de suelos I Docente: ING. Andia Arias, Janet Yessica Alumno: Hinostroza Silva Ángel CICLO: V

HUANCAYO 2019-2

REDES DE FLUJO: REDES DE FLUJO En aguas subterráneas son particularmente interesantes los cálculos de las redes de flujo del escurrimiento. Los cuales están fundamentados principalmente en la ecuación de Laplace, la cual si se considera un flujo laminar y permanente a través de un medio poroso, homogéneo e isotrópico, el fluido se moverá según la ley de Darcy. Definición Las redes de flujo son modelos matemáticos aplicables a situaciones tales como: sistemas de tuberías (para fluidos como agua, petróleo o gas), redes de cableado eléctrico, sistemas de carreteras, sistemas de transporte de mercancías, etc. Entendiendo una red de flujo como un grafo dirigido, donde la fuente es quien produce o inicia el traspaso de algún material o producto por los arcos, estos últimos, vistos como caminos o conductos y tomando en cuenta la ley de corrientes de Kirchhoff, donde, la suma de flujos entrantes a un vértice debe ser igual a la suma de flujos saliendo del vértice. Se debe conocer los siguientes elementos:

 Línea de Corriente: También llamada Línea de flujo es la trayectoria seguida por las partículas de agua al fluir a través del suelo.

 Línea Equipotencial: Es aquella que une puntos en donde se tiene el mismo potencial hidráulico o carga hidráulica.

 Tubo de Corriente: Es el espacio comprendido entre líneas de corriente vecinas.  Celda de Flujo: Es el espacio comprendido entre dos líneas equipotenciales vecinas y dos líneas de corriente vecinas. Por lo tanto la Red de Flujo es el conjunto de líneas de corriente y de líneas equipotenciales.

Cálculo del gradiente hidráulico En los puntos de una región de flujo en la que se haya trazado una red de flujo es posible encontrar el gradiente hidráulico, así como la velocidad del agua. Para ello bastará trazar por el punto en cuestión el segmento de la línea de flujo que pase por él y que quede contenido dentro del cuadrado en que haya caído el punto. Entonces la caída entre equipotenciales de la red, Ah, dividida entre la longitud de línea de flujo en la que ocurre dicha caída proporciona el gradiente hidráulico medio en ese tramo que incluye el punto en cuestión. Mayor aproximación al gradiente específico en el punto se puede tener subdividiendo el cuadrado en otros menores, cada vez más en torno al punto. Una vez que se tiene el gradiente en el punto, bastara multiplicarlo por el coeficiente de permeabilidad del suelo, para tener la velocidad del agua en magnitud, según la ley de Darcy; dicha velocidad será tangente en el punto a la línea de flujo que pase por él y estará dirigida en el sentido del flujo.

INVESTIGACION DE SUELOS:  SIFONAMIENTO El proceso de sifonamiento puede definirse como una inestabilidad del suelo producida cuando un flujo de agua ascendente genera una presión igual a la presión de tierras, anulando, por tanto, la presión efectiva. Es decir, el sifonamiento provoca una presión efectiva nula lo que hace que en estas condiciones un suelo sin cohesión pierde su resistencia al corte y se comporte como un fluido. Un caso típico es el de las arenas movedizas que ya hablamos en un post anterior. En geotecnia, suele ocurrir en excavaciones profundas al abrigo de pantallas, tablestacas o pilotes secantes donde el nivel freático se encuentra muy elevado y se detectan suelos sin cohesión como limos y arenas. En estos casos, se producirá un flujo de agua desde el intradós de la pantalla hasta el fondo de la excavación cuyas filtraciones irán a parar a los elementos de agotamiento y drenaje.

Si el gradiente es importante, el fondo de la excavación perdería su estabilidad, disipándose toda la resistencia al corte del material granular. El terreno pasaría a comportarse como un fluido y entraría como en un proceso de licuefacción de suelos. En excavaciones de más de 6 m de profundidad al abrigo de pantallas impermeables debe estudiarse con detalle puesto que si se produce el sifonamiento del suelo las consecuencias podrían ser muy graves, llevando incluso a la ruina toda la obra. sifonamiento :

El cálculo de la seguridad frente al sifonamiento puede realizarse de forma simplificada tal y como se recomienda en la ROM 0.5 y se expone a continuación: F=(ϒ´)/(Iv·ϒw) Donde: F: Factor de seguridad. ϒ´: Densidad sumergida ϒ´= ϒsat– ϒw ϒw: Densidad del agua. ϒsat: Densidad saturada del suelo. Iv: Gradiente de salida que conviene determinarlo como la pérdida unitaria de carga media en la zona próxima a la pantalla en el fondo de la excavación. Puede suponerse: Iv=Δu3/( ϒw·t) Siendo: Δu3 = Exceso de presión intersticial en la punta de la pantalla. t = profundidad de empotramiento de la pantalla.

Esquema filtración de agua en el suelo en un recinto de excavación. En cuanto al exceso de presión Δu3 en el pie de la pantalla de un ejemplo como el mostrado en la imagen anterior puede determinarse tal y como se muestra en la siguiente imagen:

La ROM 0.5 marca un factor de seguridad mínimo de 1,5 para combinación de acciones cuasipermanentes, 1,3 para combinación de acciones fundamentales y 1,1 para situaciones accidentales o sísmicas. A este respecto convine recordar que el Código Técnico de la Edificación CTE-SEC indica que la seguridad frente al sifonamiento en función del gradiente crítico deberá ser mayor o igual que 2 tal y como se muestra a continuación. ir≤icr/FS=2 donde: ir = gradiente real en sentido vertical en un sitio.

icr = el gradiente que anula la tensión efectiva vertical en dicho sitio. El gradiente hidráulico puede estudiarse con las formulaciones expuestas en la amplia bibliografía existente al respecto como por ejemplo Braja, González de Vallejo o Jiménez Salas o calcularse mediante programas de elementos finitos especializados en flujos de agua.

 TUBIFICACION La tubificación es un problema de erosión retrograda. Quiere decir que empieza erosionando los primeros granitos de suelo que no están confinados (en el caso de una tablestaca, los del nivel de terreno natural del lado aguas abajo y pegados a la tablestaca). Cuando el agua se lleva esos granos, le es más fácil llevarse los siguientes y de esa manera se va generando un “tubo” en el suelo desde la superficie hacia el interior. Por lo tanto lo que hay que ver es la seguridad que tenemos en el lugar dónde empezaría la tubificación. Entonces lo que hay que comparar es el gradiente hidráulico crítico con el gradiente del lugar en el que la turificación tendería a iniciarse (en la superficie pegado a la tablestaca en el mismo ejemplo). El problema de ebullición que mencionas es otro. Se trata del sifonaje, que se origina porque las presiones efectivas se anulan debido a la sobrepresión ascendente del agua. La tubificación puede erosionar tanto los terraplenes de las presas como los sitios de paso de las estructuras de hormigón, socavando los terraplenes o sus fundaciones, y tanto desde aguas abajo hacia aguas arriba como a la inversa. LA FUERZA DE FILTRACION Y EL GRADIENTE CRÍTICO Un flujo de agua surge por una diferencia de energía (dada por la carga o diferencia en el nivel de agua) entre dos puntos. Gradiente hidráulico es la diferencia de carga de agua entre dos puntos, dividida por la distancia (trayectoria) entre los mismos (i= h / L). El flujo ejerce en un nivel dado de una masa del suelo además de la presión hidrostática, otra (= h*gagua, Figura 1) que se debe exclusivamente a la carga hidráulica. Esta es la presión de filtración: f= h * ɤagua= i*L* ɤagua

El flujo tiende a ejercer presión sobre las partículas del suelo, y la fuerza de filtración actuante, definida por unidad de volumen, puede arrastrarlas en el sentido de la corriente. Las fuerzas que se oponen al arrastre del flujo es la trabazón entre las partículas (estructura) y su cohesión, pero al emerger aguas abajo de la presa, es el peso sumergido del suelo la principal fuerza en sentido opuesto, al menos en suelos sin cohesión.

Una presa es, en cierta forma, un impedimento interpuesto en la corriente para que el agua pase por debajo de ella. La energía debe disiparse lo suficiente por fricción y otras pérdidas a través

de esa trayectoria, de forma de que salga (aguas abajo de la presa) sin provocar erosión (tubificación y sufusión) que ponga en riesgo la estructura.

TIPOS DE TUBIFICACION 1. Levantamiento En los primeros estudios se analizaron “reventones” donde la arena entraría en “ebullición”, provocando el colapso de la obra si el peso del suelo resultaba insuficiente para contener el movimiento ascendente del suelo bajo el efecto de la fuerza de filtración, en el momento de alcanzarse un determinado gradiente, denominado “crítico”. Terzagui (Terzagui-Peck 1973) recomendó la construcción de un “filtro invertido cargado” (materiales gruesos arriba), de tal forma que su peso, colocado en la zona donde emergen las líneas de corriente en forma concentrada (inmediatas al tablestacado), evite el sifonamiento, incrementando el factor de seguridad. 2. Tubificación retrógrada La tubificación retrógrada se puede producir en prácticamente todos los suelos (en los no cohesivos si algún estrato o estructura impide el desmoronamiento del túnel), desde aguas abajo hacia aguas arriba, siguiendo preferentemente el camino de concentración de las líneas de filtración. El conducto se forma por las zonas geológicamente más débiles, por planos de estratificación permeable, o en cualquier otra zona de concentración del flujo donde la energía llega sin sufrir grandes pérdidas debidas a la fricción.

3. Fractura hidráulica Consiste en la brusca irrupción del agua a través de las grietas de los terraplenes, bajo los efectos de la carga hidráulica, ejerciendo subpresiones (fuerzas dirigidas de abajo hacia arriba) y presiones en todas direcciones, principalmente durante el primer llenado del embalse o al producirse alguna variación brusca de su nivel. A las contracciones y secado como el origen de fisuras pueden agregarse diferencias en compactación producidas por el paso de los rodillos. Estas grietas internas pueden estar cerradas, pero, cuando el nivel del reservorio alcanza algunos metros (2 a 3) sobre ellas, la presión hidrostática puede ser superior a la presión total. El agua ejerce presión sobre la fisura abriéndola progresivamente.

4. Pozos o Sumideros La morfología de los túneles, que al inicio son verticales y luego se desarrollan horizontalmente, sugiere la forma de “jarras” (sinkholes en inglés, Figura 5 y Figura 6). Se producen porque el agua de lluvia penetra (y erosiona) por pequeñas fisuras abiertas por contracción o raíces de plantas. Son característicos de las arcillas dispersivas. POSIBILIDAD DE TUBIFICACIONES DISPERSIVAS EN LOS CIMIENTOS En general las tubificaciones (debidas a suelos dispersivos) se presentan en el cuerpo de la presa: en sus paramentos, en contactos con la fundación o con los conductos. Hay muy pocos casos por debajo de sus cimientos. Aún el mismo peso de la presa puede cerrar las incipientes. Al parecer las aguas subterráneas con altos contenidos de sales impiden el lavado de los iones sodio en las arcillas dispersivas, y el reemplazo gradual por aguas más limpias procedentes del reservorio permite que los suelos disminuyan su contenido de sodio en el agua de poro.

EFECTO DEL HIELO EN EL SUELO: Las heladas. Se considera la ocurrencia de heladas cuando la temperatura del aire, registrada en el abrigo meteorológico (es decir a 1,50 metros sobre el nivel del suelo), es de 0ºC. Esta forma de definir el fenómeno fue acordada por los meteorólogos y climatólogos, si bien muchas veces, la temperatura de la superficie del suelo puede llegar a ser 3 a 4ºC menor que la registrada en el abrigo meteorológico. Las heladas son frecuentes en el invierno, pero ocurren también en otoño y primavera, conociéndose a las otoñales como heladas tempranas y a las primaverales como heladas tardías 2.- Clasificación Los suelos según el grado de incidencia de este fenómeno se pueden clasificar en: -

Suelos no susceptibles

-

Suelos susceptibles

2.1.- Suelos no susceptibles

Ejemplos de suelos no susceptibles son las gravas y las arenas.

2.2.- Suelos susceptibles

Son suelos susceptibles a la helada, aquellos que cuando se congelan forman en su interior cuñas de hielo de disposición sensiblemente horizontal, originando un incremento de volumen en su estructura que puede llegar a reflejarse en la superficie del terreno. El crecimiento de las cuñas se debe al movimiento capilar hacia los mismos del agua intersticial de los suelos circundantes. El aumento de humedad producido por este fenómeno se pone de manifiesto en el momento del deshielo cuando se funden dichos lentejones. Hasta el final del deshielo, el propio lentejón dificulta el drenaje por gravedad de las aguas fundidas en su parte superior. En esta zona puede alcanzarse la saturación del suelo. Se da en: 1.- Rocas foliadas (esquistos, pizarra, etc.): gelifracción, es decir, rotura por efecto de la congelación-descongelación (aumentos y reducciones de volumen de agua en fisuras).

2.- Suelos cohesivos: cambios de humedad que pueden inducir cambios de volumen importantes. Dichos cambios modifican el estado tensional del suelo, por lo que el Estudio Geotécnico habrá propuesto unas cargas y habrá calculado unos asientos ¡que no concordarán con la realidad! 3.- Importancia La importancia de la acumulación de agua en un suelo susceptible a la helada depende de tres factores principales: Intensidad de la helada. Se puede caracterizar la intensidad de la helada por la profundidad que esta alcanza en el suelo. En la penetración de la helada influyen, su duración, la temperatura y la conductividad térmica de los materiales considerados. Si el frente de helada alcanzara a un suelo susceptible a la misma, la formación de cuñas dependería fundamentalmente de la duración de la helada, ya que tanto la penetración de dicho frente, como los movimientos capilares del agua que alimentan la formación de las cuñas, son fenómenos lentos, que en todo caso implican varios días para su materialización. La mayor o menor susceptibilidad al hielo del propio suelo, que depende de su naturaleza, granulometría, porosidad y densidad.