Propiedades hidraulicas del agua

Capilaridad. Propiedades hidráulicas de los suelos

Capítulo 6

CAPÍTULO 6 PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS.

6.1 Capilaridad y tensión superficial 6.1.1 Tensión superficial. Es la propiedad de un líquido en la interfase “líquido – gas”, por la cual las moléculas de la superficie soportan fuerzas de tensión. Por ella, una masa de agua, acomodándose al área mínima forma gotas esféricas.La tensión superficial explica “el rebote de una piedra” lanzada al agua. La tensión superficial se expresa con T y se define como la fuerza en Newtons por milímetro de longitud de superficie, que el agua es capaz de soportar. El valor de la tensión es de 73 dinas/cm ≈ 0,074 gf/cm siendo gf, gramos-fuerza. Este coeficiente se mide en unidades de trabajo (W) o energía entre unidades de área A yrepresenta la fuerza por unidad de longitud en cualquier línea sobre la superficie. T es entonces, el trabajo W necesario para aumentar el área A de una superficie líquida.
dW dA

T =

(6.1)

Vidrio
+h H2O Adh. > Coh.

Vidrio Oro -h H2 O Adh. = Coh. Hg Adh < Coh.

Figura 6.1 Fuerzas de adhesión y cohesión en los meniscos, según los materiales.

α
A
A R C

C
180-α

6.2Capilaridad. Fenómeno debido a la tensión superficial, en virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro y por entre láminas muy próximas. Pero no siempre ocurre así debido a que la atracción entre moléculas iguales (cohesión) y moléculas diferentes (adhesión) son fuerzas que dependen de las sustancias (Figura 6.1). Así, el menisco será cóncavo, plano o convexo, dependiendo de la accióncombinada de las fuerzas de adherencia A y de cohesión C, que definen el ángulo α de contacto en la vecindad, y de la gravedad. NOTA: El tamaño de los poros del suelo es φ/5, en suelos granulares.

R

Sean: hc = altura capilar de ascenso del agua, en un tubo de estrecho radio R, parcialmente sumergido. α = el ángulo del menisco con el tubo capilar. T = tensión superficial dentro del tubocapilar. El agua asciende contra la presión UW, a la que se suma la presión atmosférica sobre toda la superficie del fluido. Pa = presión α Uϖ=-γϖ+hc -Z atmosférica (el aire pesa), que se compensa. Haciendo suma de fuerzas verticales ΣFV = 0; para Pa = 0 2πR * Tcosα + UW * πR2 = 0 = ΣFV;
+Z Uw

Figura 6.2 Formación de los meniscos

hc
Pa=0

D

despejando la presión de poros, que es Uϖ,Figura 6.3 Esfuerzos en un tubo capilar vertical

43

Capilaridad. Propiedades hidráulicas de los suelos

Capítulo 6

U

ϖ

=

− 2T cos α R

=

− 4T cos α D

(6.2)

pero Uϖ = -hc γϖ por ser el peso de una columna de agua de altura h 4T cos α
hc =

γϖD

hc =

0, 03 (m) D ( mm )

(6.3)

Como en agua  grf γ ϖ = 1, cm3  ⇒  y en aire y agua  grf cm T = 0 ,074 si latemperatura es 20° 

Para D = 0,1 mm, hc vale 0,3m. Si α = 0°, el radio del menisco es el mismo del tubo. Llamemos r al radio del menisco. A = Tubo de referencia con ra B = Tubo corto. rb > ra; (UA > UB)

hc

ra

rb

C = El agua no puede ascender por el ensanchamiento del tubo.
C D

A

B

D = Tubo llenado por arriba.

Figura 6.4 Ascenso capilar en varios tubos capilares.

Elascenso capilar en los suelos finos es alto. En arenas finas (T40 – T200), si es suelta hc = 0,3m – 2,0m, si es densa hc = 0,4m – 3,5m. En arcillas (φ < T200), hc ≥ 10m (∴ γWhc = UW ≈ 1 at ≈ 1 Kg cm 2 ) 6.1.2 Capilaridad y contracción en suelos arcillosos Dos fuerzas: Adsorción entre las partículas activas del suelo y el agua y fuerzas osmótica, propia de la fase líquida y explicada porconcentración de iones, explican la capilaridad de las arcillas. En la adsorción influyen la adherencia y la tensión superficial. Potencial de humedad o succión pF: Es la máxima tensión (H en cm) que ejerce el esqueleto del suelo sobre el agua de los poros. Como la resistencia a la tensión si H = 10000 cm  del agua es 2000 MN/m2, el valor de pFmax = 7 (equivale a H  pF = log H (cm ) ⇒   = 100 Km =...