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8/18/2019 4. Agua en Los Suelos 2016.1(1)
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2. Agua en los suelos
Ingeniería CivilFaculta de IngenieríaUniversidad Católica de la Santísima Concepción
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1. Introducción2. Agua en reposo3. Agua en movimiento. Filtraciones4. Análisis de filtración5. Efectos de la filtración
Agua en los suelosÍndice
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1. IntroducciónEcuación de Bernoulli
(situación ideal)
ɸ = + + 2donde,
ɸ
: poten: altura : presió:peso
: veloci: aceler
Hipótesis de Bernoulli
•
Fluido perfecto (viscosidad nula)• Fluido incompresible (densidad constante)• Flujo permanente (masa de agua que
atraviesa una sección por unidad de tiempo escontante
• Flujo estacionario (la velocidad no cambia a lolargo del tiempo)
+ +2 = +ɸ = ɸAplicación práctica
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Ecuación de Bernoulli(situación con suelo)NOTAS IMPORTANTES
• EL AGUA NO ES UN FLUIDO PERFECTO, por lo que cuando ATRAVIESA Auna PÉRDIDA DE CARGA (Δ H)
• PARA ESTUDIAR EL FLUJO DE LOS SUELOS, SE DESPRECIA EL TÉRMIN Bernoulli, dado que las velocidades que alcanza el agua son extremadamentaún si éstas son elevadas al cuadrado (Excepto en gravas o arenas gruesas)
+ +2
= + +2
+∆
1. Introducción
ɸ = ɸ +∆0 0
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2. Agua en reposo
Figura basada en apuntes curso “Geotecnia I”, profs. Sagaseta, Cañizal, Da Costa y Castro, (2010) Santander España.(http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecnia-i)
Agua freática Agua capilar Aguad
Agua ubicada por debajodel nivel freático.
Agua ubicada por encima del nivel freático, por efectode la ascensión capilar del agua proveniente del nivel
freático
Agua ubicada por epor efecto de la llu
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2. Agua en reposoAgua freática
(presiones hidrostáticas)
ɸ = + + 2
0
= ·( )
ɸ = + = 0
ɸ = + = (1)
(2)
Igualando (1) y (2),
PElementopotencial hiNormalmenplástico detamaño de u
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2. Agua en reposoAgua capilar
ℎ: altura de ascensión capilar: tensión superficial del agua en contacto con el aire (0,0735 N: Peso específico del agua
: radio del tubo capilar: ángulo de contacto del agua con la pared: radio del menisco de agua (menisco supuesto esférico, que pu
función de y )
Ley de Jurín
ℎ = 2 · · = 2 ·
· · cos
Figura basada en apuntes curso “Geotecnia I”, profs. Sagaseta, Cañizal, Da Costa y Castro, (2010) Santander España.(http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecnia-i)
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2. Agua en reposo
=
Succión capilar
• En los puntos en que el agua toca llas fuerzas capilares actúan cauintergranular dentro de dicho suelo
• La succión capilar se define como lpresión de aire, u a, y la del agua, uw
•
La succión capilar incrementa la reun suelo• Alsumergir un suelo en agua DESA
Agua capilar Presión inferior a
Figura basada en “Geotecnia y Cimientos I”, JiménezSalas, J.J. y de Justo Alpañez, J.L.
EN ESTE CURSO, LA SUCCIÓN SERÁ CO(se está por el lado de la seguridad y es el caso má
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3. Agua en movimiento. Filtración
ɸ = + El potencial hidráulico queda definido parasuelos
IMPORTANT• EL AGUA SE MUEVE CUANDO EXISTE
DIFERENTE POTENCIAL HIDRÁULICO.
• EL AGUA VA DESDE UN PUNTO DEL PHIDRÁULICO(punto A en la figura)HACIA la figura) (ɸa >ɸb)
Líneas de flujo (líneas de corrisigue una gota de agua ubicadproblema hasta que ésta esproblema (mediante sistema de
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3. Agua en movimiento. Filtración
Apuntes curso “Geotecnia I”, profs. Sagaseta,Santander España. (http://ocw.unican.es/ens
Velocidad de filtració
= ɸ =ɸɸɸ= 1 ·1 ·
1+ 1 ·
Gradiente hidráulico ( )(Pérdida de carga por unidad de longitud)
= ∆ ¿Que dirección
tiene el vector?
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3. Agua en movimiento. Filtración
Leyde Darcy(1856)
= Ω = · = ·∆
: velocidad (m/s; cm/s)
: Caudal (m3; cm 3)Ω: Área (m2): Coeficiente de permeabilidad (m/s; cm/s): Gradiente hidráulico
∆: Diferencia de altura piezométrica entre A y B (m; cm): Longitud (m; cm)
Figura basada en apuntes curso “Geotecnia I”, profs. Sagaseta, Cañizal, Da Cos(http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecn
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3. Agua en movimiento. Filtración
Factores que afectan la
permeabilidad (k):• Granulometría• Densidad• Forma y orientación de las
partículas
Permeabilidad (k)
Hazem(arenas uniformes)
= 10−
· ( )
Valores habitual
Correlación empírica NOTALa permeabilidad de un sueloparámetros más difíciles de determ
• LABORATOR•
IN SITU
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3. Agua en movimiento. Filtración
Edómetro :Célula Rowe y Barden, 1966
(finos de compacidad media a dura)
Tria(finos de compacid
Permeabilidad en Laboratorio(k)
Laboratorio d
Universidad dSantande
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3. Agua en movimiento. FiltraciónPermeabilidad in-situ (k)
Ensayos en pozos
Tomada de Villalobos (2014), ConcepcApuntes curso “Geotecnia I”, profs. Sagaseta, Cañizal, DaCosta y Castro, (2010) Santander España.
(http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecnia-i)
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3. Agua en movimiento. FiltraciónPermeabilidad in-situ (k)
Ensayo de Lefranc
“Geotecnia y Cimientos II”, Jiménez Salas, J.J., deAlpañez, J.L. y Serrano González, A. 198
España
Carga Constante C
• Válido para estimar permeabilidad en SUELOS• Se requiere realizar sondeo previo de la ejecución del
ensayo• Procedimiento simplificado:
i) inyectar agua al terreno conociendo en todomomento su potencial hidráulico (Carga constanteo carga variable)
ii) Medir cantidad de agua infiltrada (caudal)midiendo en función del tiempo
iii) Determinar permeabilidad in situ del suelo(m/seg - cm/seg)
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3. Agua en movimiento. FiltraciónPermeabilidad in-situ (k)
Ensayo de Lugeon
“Geotecnia y Cimientos
Alpañez, J.L. y Se
• Válido para estimar permeabilidad en MACIZOS ROCOSOS• Se requiere realizar sondeo (D≈70 mm) previo de la ejecución del ensayo• Procedimiento simplificado:
i) Aislar zona de ensayo (aprox 5 m de longitud) mediante manguitosii) Incrementar presión de agua con los siguientes escalones: 0-5;
5-10; 10-5 y 5-0 kg/cm2)iii) Alcanzado presión constante de 10 kg/cm 2 se debe medir la
cantidad de agua que se infiltra en la roca durante 10 minutosiv) Determinar la permeabilidad del macizo rocoso
Unidad de medida
1 Unidad de Lúgeon (U.L.): infiltración de 1 litro de agua por metro linealensayado durante un minuto. La U.L. se obtiene como resultado del ensayodel mismo nombre, es decir a una presión de 10 kg/cm 2 por 10 minutos)
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3. Agua en movimiento. FiltraciónPermeabilidad in-situ (k)
Ensayo de Lugeon
(Camb
Diagramas hab
Concepto U.L. Presión(kg/cm2)
Muy impermeable 0-1 10
Permeable >3 10
Prácticamente impermeable 1-3 10
Prácticamente impermeable 1,5-6 5Muy permeable >3 10
Muy permeable >6 5
Aproximación admitida en Geotecnia1 U.L. = 10-7 m/seg
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3. Agua en movimiento. FiltraciónAnisotropía
Flujo horizontal Flujo vertical
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Figura basada en apuntes curso “Geotecnia I”, profs. Sagaseta, Cañizal, Da Costa y Castro,(2010) Santander España. (http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecnia-i)
4. Análisis de filtración
Condición de flujo• Continuidad• Pérdida de carga
= ·
ψ = · · Σ
ψ = · · Σ =
Según Teorema de Ostrogradsky
Dado que flujo debe ser nulo en
de debe ser 0
= 0
= + + = 0
En coordenadas cartesianas
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4. Análisis de filtraciónSolución de problemas de filtración
Solución analítica
ɸ = ·ɸ = 0
Solución numéric
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•
Elementos fini• Diferencias fin
Fuente: http://www.geo-slope.com/pro
f
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4. Análisis de filtraciónSolución de problemas de filtración
Solución gráfica
ii. Dibujar líneas(puntos con el mismo potencial
iii. Dibujar líneas de(tangentes en cada punto al vect
: Número de escalones de la
: Número de tubos de corrien
∆ɸ: Pérdida de potencial
i. Definir información mínima
Si y del suelo son iguales,anteriores serán entre sí PERPEN
Procedimiento de resoluEjemplo
Nota importante
¿Qué caudal de agua se requiere bombear para mantener elnivel freático en el trasdós del muro a una cota de -6.0 m ?
ál d f l ó
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4. Análisis de filtraciónSolución de problemas de filtración
Solución gráfica
Recomenda• q = k• = 1
Q =
Q = k
Cálculo de
Resolución
4 A áli i d fil ió
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4. Análisis de filtraciónPresa de materiales sueltos. Método aproximado. Casagrande (19
Problema básico. Parábolas homofocales Problema básico. Correcciones. C
4 A áli i d fil ió
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4. Análisis de filtraciónPresa de materiales sueltos. Método aproximado. Casagrande (19
Presa sin dren de pie. Punto de emergencia
4 A áli i d filt ió
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4. Análisis de filtraciónMedios anisótropos
= · ɸ = ·
ɸ
ɸ
ɸ
Suelo estratificado horizonCaso general• = = • = • = = = 0
: perme
: perme
· ɸ + ɸ +
5 Ef t d l filt ió
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5. Efectos de la filtración
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· 1 + = = =
Sifonamiento
5 Ef t d l filt ió
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5. Efectos de la filtraciónTubificación (Dispersión)