FENÓMENO CAPILAR Y PROCESO DE CONTRACCIÓN NOMBRE: JESÚS ROSAS GUAYAC
En los suelos el agua se eleva por medio de las fisuras y grietas de la masa; a este fenómeno se le llama ASCENSIÓN llama ASCENSIÓN CAPILAR y CAPILAR y la altura alcanzada depende de la naturaleza del suelo.
corte Típico de ascención ascención capilar capilar
La altu alturra capil apilar ar (hc), (hc), que alcanza el agua en un suelo se determina considerando su masa como un conjunto de tubos capilares formados por los vacios vacios (teoría del flujo capilar).
Según la teoría del flujo capilar, el agua subirá dentro de un tubo de diámetro d, hasta una altura hc, tal que la componente vertical de la fuerza capilar Fc sea igual al peso de la columna de agua suspendida. d
Fc P
PROPIEDADES HIDRÁULICAS TENSIÓN SUPERFICIAL Al alterar la forma de la superficie de un líquido, se altera también su área, aumentándose. Para ello se hace necesario realizar un trabajo. El trabajo requerido para aumentar el área de una superficie líquida es proporcional a dicho aumento. En donde, el coeficiente de tensión superficial (Ts) es la relación entre ambos. d w
T s* dA
T s
d W dA
Donde: Ts : es el coeficiente de tensión superficial = 0.074 g/cm 2
TENSIÓN SUPERFICIAL REPRESENTA LA FUERZA POR UNIDAD DE LONGITUD (en cualquier línea sobre la superficie)
Cuando un líquido presenta al aire una superficie curva, se genera un menisco curvo de desnivel de presión, de modo que la presión en el lado convexo es siempre menor que la del lado cóncavo Menisco cóncavo: Líquidos
poco o nada viscosos, <90 (agua destilada, =0). °
Menisco Convexo: Líquidos
=140)
viscosos >90 (Mercurio, °
IMPORTANCIA PARA LA INGENIERIA Esfuerzos, Contracción de los suelos, Cohesión aparente, Sifonamiento Capilar (presas de tierra), Pavimentos, Drenaje de Tierras.
PERMEABILIDAD El coeficiente de permeabilidad es definido como la velocidad de descarga a través de un área unitaria bajo un gradiente hidráulico unitario. El coeficiente de permeabilidad K, se da en unidades de velocidad [cm/seg, m/seg , pie/min, pie/dia ó pie/años]
FACTORES QUE AFECTAN LA PERMEABILIDAD 1. La viscosidad del fluído 2. Tamaño y continuidad de los poros 3. Presencia de discontinuidades
1. VISCOSIDAD DEL FLUIDO La viscosidad del agua puede variar con la temperatura, los efectos en casos prácticos se consideran despreciables. Líquidos mas viscosos presentarán mayor dificultad para fluir a través de un suelo.
%Pasa N 100
2. TAMAÑO Y CONTINUIDAD DE LOS POROS Cuanto mayor sea el tamaño de los poros y mejor la continuidad de ellos, más fácil sera la filtración a través del suelo, por tanto mayor será su coeficiente de permeabilidad.
º
K [pie/dia]
0
80 - 300
2
10 - 100
4
2 - 50
6
0,5 - 20
7
0,2 - 3,0
3. EFECTOS DE DISCONTINUIDADES La presencia de fisuras en un macizo rocoso permite una mayor permeabilidad al mismo si estas se encuentran libres o llenas de un material mas permeable, en estos casos la permeabilidad del macizo la determina la permeabilidad a través de la fisuras.
MÉTODOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD
K
Laboratorio Métodos Directos Ensayo de Carga Constante (granulares)
Ensayo de carga variable (finos)
Campo Métodos Indirectos
Granulometría (granulares)
Consolidación (finos)
Pruebas de bombeo
Pozos barrenados
Revestidos
No Revestidos
Otras pruebas
Infiltración
Proceso de Contracción en suelos finos Con las consideraciones expuestas en los párrafos anteriores, es posible comprender el mecanismo de contracción en los suelos finos, hecho experimental de conocimiento común, así como las razones para el mismo. Un suelo saturado exhibe primeramente una superficie brillante, que cambia a opaco al formarse, por evaporación, los meniscos cóncavos, en cada poro. Al irse evaporando el agua, va disminuyendo el radio de curvatura de esos meniscos y aumentando
En el suelo, los poros y canalículos ocupados por el agua no son de
tamaño uniforme, sino que varían entre amplios límites, por lo que el agua no se retraerá al mismo tiempo hacia el interior de la masa, comenzando el proceso en los poros de mayor diámetro.
Finalmente, cada menisco se retirará al diámetro de poro más pequeño para el que un menisco totalmente desarrollado produzca en el suelo la máxima presión capilar que pueda deformar la estructura al máximo.
En ese instante, con su máxima contracción alcanzada bajo esa máxima presión capilar que el agua ejerce, el suelo habrá llegado a su límite de contracción. Cualquier evaporación posterior hará que los meniscos se retraigan hacia el interior sin mas incremento en la presión capilar, pues el diámetro de los poros ya no disminuye.
EJEMPLOS
EJEMPLOS 1. Calcule la ascensión capilar máxima del agua en un tubo con tensión capilar, en g/cm2 y con un diámetro de 0,005 mm.
hc
4Ts d * w
hc ( Máx)
g 4*0.074 cm2 0.0005cm*1 g 3 cm
hc ( Máx) 592 g
cm
2
EJEMPLOS 2. Cual será la altura que alcance el agua en un tubo vertical con un D=0.4 mm, si =30 °
h
4*Ts *cos
h
4*0.074 g *cos 30 cm g 0.04cm*1 cm3
d * w
h 6.4cm
EJEMPLOS 3. GRANULOMETRÍA
EJEMPLO: Una arena suelta uniforme de granos redondeados tiene un diámetro efectivo igual a 0,7 mm. Estime k. k C ( D10 )
2
cm / seg
k 100 * 0.07cm
k 4.9 x10 1 cm
2
seg
EJEMPLOS 4. Una muestra de arena de 35 cm2 de área y 20 cm de longitud se probó en un permeámetro de carga constante. Bajo una carga de 50 cm de agua, el volumen filtrado fue de 105 cm 3, en 5 min. El peso seco de la muestra de arena fue de 1.105 gr y su Gs=2,67. determine: a) El coeficiente de permeabilidad de la arena b) La velocidad de descarga c) La velocidad de filtración.
SOLUCIÓN a) Según: k
k
QL h A t
105cm 3 * 20 cm 60 s eg 50 cm * 35cm * 5 min* 1min 2
2.100
k 0.004cm seg 525.000
EJEMPLOS b)
v v
ki
0.004 cm s eg *
50cm
v
20cm
0.01 cm s eg
c) Se calculará e.
vv v s v w s s G s e
1.105 gr gr 2.67 cm 3
v to t 35 * 20
700cm 3
v s
413 .8cm 3
EJEMPLOS v v vv e
v to t v s
700 cm 3
413 .8cm 3
286 .2 cm 3 v v 286.2
v s
413.8
e 0.69
La velocidad de filtración
v1
1 e e
v1
v
1 0.69 0.01 cm 0.69
2.45 x10 2 cm s eg
s eg
EJEMPLOS 5. Una muestra de suelo de 10 cm de diámetro y 5 cm de espesor se probó en un permeámetro de carga variable. La carga de agua bajó de 45 cm a 30 cm en 4 min 32 seg. El área del tubo alimentador era de 0,5 cm2. calcule el coeficiente k, en cm/seg.
SOLUCIÓN
Donde,
k 2.3
a * L At
h1 L og h 2
a
0 .5cm 2
L
5cm
A
t
2
*10 2
78.5cm 2
4 4 4 m in 32 s eg 272 s eg
EJEMPLOS h1 h2
45cm h c 30 cm h c h c
0 .3 D A
D 2 4 D
hc
0.4 cm
h1
44 .6 cm
h2
29.6 cm
0 .5cm 2
0 .8c m
* D 2 4
EJEMPLOS k 2.3
a * L At
h1 L og h 2
44.6 cm k 2 .3 * * L og 2 78.5cm * 27 2 s eg 29.6 cm 0.5cm 2 * 5cm
k 2 .3 *
2 .5c m 2 1 . 3 5 s eg
k 4.74 x10 5 c m
* log 1 .5
s eg
