EL AGUA EN EL TERRENO El agua subterránea recurso mineral mas importante extraído de la tierra( 30% del consumo diario en el mundo)

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1 INDICE INTRODUCCION FORMAS EN QUE SE ENCUENTRA COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD (K) SIFONAMIENTO O EBULLICION CARGAS DE AGUA FLUJO UNIDIMENSIONAL FLUJO BIDIMENSIONAL METODOS DE SOLUCION DE REDES DE FLUJO AGOTAMIENTO DE SUELOS SISTEMA DE REBAJAMIENTO DEL NIVEL FREATICO SISTEMA DE WELLPOINTS Indice 1

2 EL AGUA EN EL TERRENO El agua subterránea recurso mineral mas importante extraído de la tierra( 30% del consumo diario en el mundo) - Agua fósil : Atrapada en el intersticio de los sedimentos (a menudo salada). - Agua meteórica : Parte de la precipitación que se filtra Ciclo: Filtrado - extraída - evaporada - distribuida por el viento - condensación - vuelve a la superficie del terreno. Capa freática colgada Pozo artesiano acuicluso Nf principal acuífero Acuifero Acuicluso Acuicluso acuicluso acuífero Formas en que se encuentra (División arbitraria) 1.- AGUA ADSORBIDA 2.- AGUA CAPILAR 3.-AGUA GRAVITACIONAL 4.-(AGUA DE COMBINACION QUIMICA) Ej:Al 2 OnSiO 2 kh 2 OForma gral.de las arcillas. N y k=valores numéricos de ligazón molecular 1.-AGUA ADSORBIDA PELICULA QUE ENVUELVE LAS PARTICULAS DE SUELO SOBRE LA CUAL ACTUAN LAS FUERZAS MOLECULARES DE ADHESION Parte del agua adsorvida no es removida al secar el suelo a 100 C y por lo tanto para todo efecto practico, se considera que el grano-película no removida es la partícula de suelo 2

3 1.1.-CAMBIOS DE VOLUMEN Expansiones y contracciones en el suelo. La textura es inversamente proporcional a los cambios de volumen CAMBIOS DE VOLUMEN 1.2.-CAMBIOS DE COHESION 1.3.-CAMBIOS DE ESTABILIDAD MECANICA AGUA HIGROSCOPICA: Es aquella que se condensa en la superficie de las partículas cuando un suelo seco es expuesto al aire húmedo. Debido al agua higroscópica el volumen del suelo aumenta hasta un valor máximo de higroscopía según los siguientes valores Arena 1% del volumen del suelo seco Limo 5% del volumen del suelo seco Arcilla 20% del volumen del suelo seco EFECTO DE LOS CAMBIOS VOLUMETRICOS DEL SUELO EN LAS LOSAS DE PAVIMENTO EJECUCION EN PERIODO SECO LOSA PAVIMENTO expansión EJECUCION EN PERIODO HUMEDO LOSA PAVIMENTO contracción HUMEDO SE MANTIENE SECO HUMEDO SECO SE MANTIENE HUMEDO SECO 1.2 CAMBIOS DE COHESION (C) Cohesión (Kg/cm 2 ) γ = cte W % con respecto a L.L 140 Para una determinada densidad del suelo existe una relación inversa entre el valor de la resistencia al corte y su humedad La capacidad de un suelo de absorber agua sin perder su cohesión o pasar al estado semi-fluido queda expresada por el IP Suelo inalterado Suelo remoldeado 1.3 CAMBIOS EN LA ESTABILIDAD MECANICA Los suelos granulares poseen la propiedad de desarrollar estabilidad interna debido al mutuo soporte de las partículas. Esta propiedad se puede alterar por la película de agua adsorvida con un efecto mucho mas importante en los suelos de textura fina que en los gruesos donde es casi nula. Ej: LIMOS CON AGUA<ESTABILIDAD MECANICA Y BAJA CAPACIDAD EN SOPORTE. 3

4 2.-AGUA CAPILAR (Esta suspendida en el suelo y no escurre libremente sino que por gravedad) Es aquella que se eleva sobre el nivel de agua libre gravitacional, es decir por encima del nivel en el cual la presión es igual a la atmosférica, hasta la zona de aireación o no saturada N.T Zona de aireación El comportamiento del agua capilar esta influido por una serie de factores tales como la textura, estructura, movimiento del N.F, etc. N.F hc Agua capilar Agua libre VALORES TIPICOS DE hc PARA DIFERENTES SUELOS Arena gruesa Arena media Arena fina Limo Arcilla Los procesos de adsorción y capilaridad corresponden a complicados mecanismos físicos de condensación y evaporación que se producen en la superficie de un sólido y en el se establece un equilibrio entre las fases; sólida liquida y gaseosa. 3.- AGUA GRAVITACIONAL O LIBRE ES AQUELLA CUYO MOVIMIENTO O ESTADO DE EQUILIBRIO ESTA DETERMINADO FUNDAMENTALMENTE POR LA ACCION DE GRAVEDAD Y SE RIGE POR LAS LEYES DE LA HIDRAULICA PROBLEMAS PRESENTADOS EN EL AGUA LIBRE 1.- Flujo de Agua (Estudio de leyes que rigen su movimiento) 2.- Efecto sobre las presiones efectivas del suelo. 1.- FLUJO DE AGUA Existen dos tipos de movimientos de agua i) LAMINAR (<V) ii) TURBULENTO (>V) El movimiento laminar corresponde a la mayoría de los problemas de flujo de agua en los suelos. Su estudio se hace aplicando la ley de Darcy.(París 1850). 4

5 k = Q i A Donde: Q : Volumen que se descarga en un tiempo t i : Gradiente hidráulico A : sección del suelo en la dirección normal al flujo piezometros Línea de energía total i = h1 - h2 h o Línea de gradiente hidráulico h1 A Plano de comparación B suelo C D L h Derrame LA PERMEABILIDAD ES LA PROPIEDAD DE LOS SUELOS QUE TIENE EL MAS AMPLIO RANGO DE VARIACION k grava limpia = 10 cm/seg = k arcilla plástica 10-9 cm/seg Vd = Q = k i A ES LA PROPIEDAD DE UN SUELO QUE PERMITE EL PASO DE UN FLUIDO A TRAVES DE EL, BAJO LA APLICACIÓN DE UNA PRESION HIDROSTATICA. 1. Evaluación de la cantidad de filtración a través de presas y diques, hacia pozos de agua 2. Evaluación de subpresión bajo estructuras para un análisis de estabilidad 3. Control de velocidad de filtración para evitar erosión de una masa de suelo 4. Velocidad de consolidación 5

6 CARGA CONSTANTE Se recoge Q en el tiempo t k = Q l A h t (cm/seg) CARGA VARIABLE h 1 h 2 h L A CARGA CONSTANTE (con dispositivo de rebalse) Q CARGA VARIABLE Area a V = - dh dt Por lo tanto el flujo resultante hacia la muestra qentra = -a dh dt Flujo a través de la muestra qsale = A v=a k i Por continuidad q entra =q sale => -a dh = A k h dt L Separando, integrando y partiendo del tiempo t 1 =0 (Cte de integración = 0) K= a L ln h1 A t h2 (CM/SEG) LIMITACIONES DE LA DETERMINACION DE k EN LABORATORIO 1. SUELO IN-SITU ESTRATIFICADO 2. ESTRUCTURA IN-SITU DISTINTA QUE EN LABORATORIO 3. EFECTOS DE BORDE 4. T => VISCOSIDAD 5. SI k ES MUY PEQUEÑO EXISTE EVAPORACION Y FILTRACIONES EN EL EQUIPO 6. EL GRADIENTE HIDRAULICO i=dh/l DE LABORATORIO GENERALMENTE ES MUCHO MENOR QUE EN TERRENO 7.- OTROS 6

7 1. LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO (varia con la temperatura) 2. EL TAMAÑO Y CONTINUIDAD DE LOS POROS Y GRIETAS A TRAVES DE LOS CUALES PASA EL FLUIDO. Tamaño y forma de las partículas Densidad del suelo (k varia entre 20 veces γd max y γd min ) Estructura del suelo 3. PRESENCIA DE DISCONTINUIDADES %Pasa por #100 (en peso) K10-3 (cm/seg)(suelo>1 ) 0 30 a a a a a 1 SIFONAMIENTO O EBULLICION σv`= σv-µ = (a γ w +b γb+ qs)-h γ w Si qs=0 y a= 0, c=0 a qs h σv`= b γ t - h γ w i = ht = h-b b b o h = b (i+1) b A Suelo σ`= b γ t -b (i+1) γ w Si SIFONAMIENTO σ` = 0 e i = i c γ t = γ w + i c γ w i c = (γ t - γ w ) / γ w = γ b /γ w El sifonamiento es un estado, no un material El i ascensional para que exista sifonamientoen un suelo c =0, no cargado es igual a: γ b /γ w 1 7

8 CARGAS DE AGUA LA FILTRACION DE UN LIQUIDO A TRAVES DE UN SUELO SE DERIVA DE LA RXISTENCIA DE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL HIDRAULICO ENTRE DOS PUNTOS DE SU MASA. El potencial entre cada punto puede establecerse de acuerdo con el teorema de Bernoulli: v 2 2g h = z + u + v 2 γ w 2g Es despreciable frente a los otros dos dh i = = lim ds Ds 0 Dh Ds Para caso plano y terreno uniforme Z : altura geométrica u : presión del liquido sobre la atmósfera v : velocidad de filtración Por lo tanto Dh/l La diferencia de potencial entre dos puntos (Dh = ha-hb) genera un gradiente hidráulico, i, en la dirección S: A partir de i se puede establecer la ecuación que rige el movimiento del agua en suelo 2 d φ d φ d φ Kx + Ky + Kz dx dy dz 2 2 d h d h d x d z 2 = 0 2 φ= funcion potencial (Si existe anisotropia) Ecuación de Laplace (Medio isotropo, bidimensional) Esta ecuación define dos familias de curvas características, ortogonales entre si: las líneas de corriente o trayectorias de flujo y las líneas equipotenciales, donde h = cte. 1.- VELOCIDAD a la que escurre el agua a través del suelo (Por ejemplo para determinar el caudal de fugas a través de una presa de tierra). 2.- CONSOLIDACION por ejemplo : Calculo de la velocidad del asentamiento RESISTENCIA por ejemplo: Calculo del F.S. de un terraplén. 4.- ALTERACIONES como erosión interna, arrastre de partículas, etc.. FLUJO UNIDIMENSIONAL En estos casos, el gasto de filtración, el gradiente y la carga en cada punto se obtienen utilizando la ley de Darcy y otros principios básicos de la hidráulica. La velocidad de escurrimiento es función de : - Tamaño del poro - Posición del poro (distancia entre poros) En problemas de ingeniería de suelos, el agua se considera que fluye de A a B según una línea recta con cierta velocidad efectiva. 8

9 FLUJO BIDIMENSIONAL Este problema se presenta en cualquier estructura que tenga contacto con el agua (presas, puertos, etc.) En estos flujos, los principios básicos con que se resuelven los problemas unidimensionales no bastan. Para ello se recurre al concepto de red de flujo. RED DE FLUJO Sistema de cuadrados o rectángulos formados por la intersección de líneas de flujo y líneas equipotenciales o de igual carga potencial (perpendiculares). PROCEDIMIENTOS DE RESOLUCION DE REDES DE FLUJO Se trata de obtener las dos familias de características. a traves de la funcion de flujo Ψ (x, z) (que da las líneas de corriente) y la función de potencial φ (x, z) (que proporciona las equipotenciales) Conocidas ambas curvas características se obtiene en cada punto: - EL POTENCIAL HIDRAULICO - EL GRADIENTE - LA VELOCIDAD - LA DIRECCION DEL FLUJO - EL CAUDAL UNITARIO DE FILTRACION SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES LA EXPERIENCIA LO MUESTRA Y LA TEORIA LO PRUEBA QUE UNA NAPA DE AGUA, EL NIVEL PIEZOMETRICO ES EL MISMO EN TODOS LOS PUNTOS. POR EL CONTRARIO, SI HAY UN ESCURRIMIENTO (CARACTERIZADO POR LAS LINEAS DE FLUJO (a, b, c,...), LOS PUNTOS (A, B, C...) PRESENTAN EL MISMO NIVEL PIEZOMETRICO Y ESTAN SITUADOS SOBRE UNA MISMA SUPERFICIE, PERPENDICULAR A ESTAS LINEAS DE FLUJO, ESTAS SUPERFICIES LLEVAN EL NOMBRE DE SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES c a b C B A 9

10 PARA HALLAR ESTAS FUNCIONES SE RECURRE A LOS SIGUIENTES PROCEDIMIENTOS: A.- RESOLUCION DE LA ECUACION DE LAPLACE MEDIANTE EL USO DE VARIABLES COMPLEJAS QUE PERMITAN RESOLVER GRAN NUMERO DE PROBLEMAS DE CONTORNO. B.- MODELOS ANALOGICOS ELECTRICOS (Se utilizan modelos bidimensionales, sobre papeles conductores especiales que simulan el terreno) C.- METODOS NUMERICOS, RESOLVIENDO LA ECUACION DE LAPLACE POR DIFERENCIAS FINITAS. D.- METODOS MANUALES, DIBUJANDO LA RED DE CORRIENTE A MANO ALZADA, BASANDOSE EN SUS PROPIEDADES. 10

11 AGOTAMIENTO DE SUELOS INCONVENIENTES DE LA PRESENCIA DE AGUA EN UNA EXCAVACIÓN. DIFICULTA O IMPOSIBILITA EL TRABAJO MODIFICA EL EQUILIBRIO DEL SUELO PROVOCANDO LA INESTABILIDAD DEL FONDO DE LA EXCAVACIÓN O EL DESMORONAMIENTO DE LOS CORTES. PROVOCA SUB-PRESIÓN Y CONSECUENTEMENTE FLOTACIÓN DE ESTRUCTURAS AFINES. CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DEL METODO DE AGOTAMIENTO DE AGUAS SUBTERRANEAS PROPOSITO DEL AGOTAMIENTO ( PRESAS, CAMINOS, EDIFICIOS, ETC) CANTIDAD DE AGUA A AGOTAR PROFUNDIDAD DEL NIVEL FREATICO CONDICIONES GEOLOGICAS DE LA ZONA FACTORES DE COSTOS OBJETIVOS DE LAS EXCAVACIONES PARA DRENADO PRODUCIR CONDICIONES SECAS DE TRABAJO EVITAR LA ELEVACION O SUBPRESIONES EN EL FONDO DE EXCAVACIONES REDUCIR LAS PRESIONES LATERALES SOBRE SOPORTES TEMPORALES MEJORAR LA ESTABILIDAD DE TALUDES TEMPORALES REDUCIR EL CONTENIDO DE HUMEDAD DE TERRENOS QUE SE VAYAN A EXCAVAR( EMPRESTITOS) 11

12 Sistemas de agotamiento del nivel freatico ZANJAS POZOS GALERIAS PUNTERAS O WELL-POINT. 12

13 DISEÑO DE POZOS 1.- POZO COMPLETO EN ACUIFERO CONFINADO Cono de depresión Nivel piezometrico inicial Q H h a e z Estrato acuífero R r CURVA DEL NIVEL PIEZOMETRICO Y Q Q = 2π K e H-h = 2,73 k e H-h ln (R/a) log (R/a) K e : Transmisibilidad del acuífero Z-h = (H-h) ln (r/a) = Q ln(r/a) ln (R/a) 2 π k e 13

14 SISTEMA DE WELLPOINTS Grupo de pozos de diámetro pequeño (2 a 8 ), poco espaciados, de profundidades pequeñas (< 15 m). Están conectados a una tubería general o colector, sobre la que trabaja una bomba centrifuga BOMBA Profundidad al nivel estático DEPRESION NIVEL ESTATICO NIVEL DE BOMBEO ALTURA DE SUCCION CONO DE DEPRESION Mayor altura de aspiración 7m Filtro NIVEL ESTATICO Acuífero de arena 14

15 DISPOSICION EN PLANTA DEL SISTEMA r1 r2 Bomba Tubería colectora Puntera INSTALACIÓN DE WELLPOINTS Hinca : en formaciones blandas, h=15 arenosas, sin gravas gruesas Chorro de agua : en formaciones arenosas suelta Para pozos profundos : percusión o rotación REBAJAMIENTO OBTENIDO EN UN PUNTO P a) Acuífero confinado i n 2 1 H 2 Z = = 2πke i = 1 Ri F Qi ln = ri 2πke b) Acuífero Libre H 2 i 2 1 Z = = π k i= n 1 Qi ln Ri ri = F π K F : Función común que depende de la disposición de los pozos Evacuación de aguas 15

16 PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO DEL POZO EQUIVALENTE c A A 1.- ACUIFERO CONFINADO H-hc = Fc 2πKe H-hp = Fp 2πKe 2.- ACUIFERO LIBRE H 2 -hc 2 = Fc πk Fc= n Q ln (R/A) H 2 -hp 2 = Fp πk Fp = Q ln R n n α A (n-1) H-hc = REBAJAMIENTO DE LA CAPA FREATICA EN EL CENTRO DEL CIRCULO H-hp = Descenso en cada pozo 16

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