Capilaridad en Los Suelos

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS

Mecánica de suelos I

Cajamarca, mayo del 2013

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Capilaridad El proceso de capilaridad es el ascenso que tiene el agua cuando se introduce verticalmente un tubo de vidrio de diámetro pequeño (desde unos milímetros hasta micras de tamaño) en un depósito lleno de agua, el agua sube en el tubo hasta una determinada altura y se forma un menisco

cóncavo,

esta

altura

es

inversamente

proporcional al diámetro del tubo. La altura capilar que alcanza el agua en el suelo, se determina considerando una masa de suelo con una gran red de tubos capilares formados por los vacíos existentes en su masa. Mecánica de suelos I

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capilaridad en suelos Al contrario de los tubos capilares, los vacíos en suelos tienen ancho variable y se comunican entre sí formando un enrejado. Si este enrejado se comunica por abajo con el agua, su parte inferior se satura completamente. Más arriba el agua solo ocupa los vacios pequeños y los mayores quedan con aire.

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El agua capilar es la fracción del agua que ocupa los microporos, se mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión superficial del agua. 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 no saturada.

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En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, de tal manera que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, por lo que estos suelos se utilizan en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos.

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problemas de capilaridad en la construcción Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática.

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En la construcción de calles, carreteras, autopistas, pistas de aterrizaje es importante tener en cuenta el agua capilar existente en el terreno de fundación que queda encima de la napa freática. Una solución al problema es colocar capas granulares sobre la subrasante, lo cual impide la capilaridad del agua freática.

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En suelos de granulometría fina (limos, arcillas) los vacíos son de diámetro reducido por lo tanto la altura capilar es mayor y en los suelos de granulometría gruesa la altura capilar es menor.

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Fuerzas de cohesión y de adhesión Las moléculas superficiales del líquido abierto al aire, que se encuentran en la inmediata vecindad con la pared sólida están solicitadas por fuerzas de 2 tipos: cohesión y adhesión. • La cohesión: atracción entre moléculas iguales (en este caso es debida a la acción de las restantes moléculas del líquido). • La adhesión: atracción entre moléculas diferentes (en este caso es ejercida por las moléculas de las paredes del recipiente). Mecánica de suelos I

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Si las fuerzas de adhesión son mayores que las de cohesión, se forman los meniscos cóncavos, en cambio si las fuerza de cohesión son mayores que las de adhesión, se forman los meniscos convexos.

La forma de los meniscos

(cóncavos o convexos) dependen de la

naturaleza del líquido y del material que constituya la pares del recipiente, por ejemplo el agua forma meniscos cóncavos con el vidrio, en cambio el mercurio forma meniscos convexos con el vidrio. El ángulo que forma el menisco con la pared del recipiente se denomina ángulo de contacto y se representa por α

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Ángulo de contacto α El ángulo de contacto es el ángulo en el cual entran en contacto una interfase líquida/gaseosa con una superficie sólida, el ángulo de contacto es específico para un sistema dado y está determinado por las interacciones entre las interfaces participantes. El ángulo de contacto se mide con un aparato llamado goniómetro. Si α < 90° el menisco es cóncavo, y si α > 90° el menisco es convexo.

El

valor

de

α

se

aproxima a 0° entre el vidrio limpio húmedo y agua destilada Mecánica de suelos I

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La capilaridad es el fenómeno debido a la tensión superficial, en virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro y por entre láminas muy próximas.

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Tensión superficial Las moléculas de la capa superior del agua están por una parte atraídas entre si y por otra parte atraídas por las moléculas de la capa inferior formándose en la superficie como una película que es difícil de romper. La energía necesaria para romper esta capa por unidad de área se conoce como tensión superficial.

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La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.

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Tensión superficial Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica . La superficie, en vez de aplanarse, tiende a curvarse, para que toda ella contenga el mínimo posible de energía.

A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del liquido. Mecánica de suelos I

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Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y el gas. La tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gravedad

adopte la forma

esférica, que es la que tiene menor relación área/volumen. Mecánica de suelos I

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Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción del área hasta el mínimo posible.

La tensión superficial es la fuerza que actúa paralelamente a la superficie del agua, esta tensión es debida a la atracción molecular de agua que se encuentra desequilibrada en la superficie de separación entre el aire y el agua en los pros del suelo.

El valor de la tensión superficial se considera 0.075 gr/cm Mecánica de suelos I

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La fuerza que jala hacia arriba es la componente vertical de la tensión superficial Ts.

La tensión superficial es la fuerza que actúa sobre la

superficie de un liquido en contacto con un gas actúa para minimizar su área. Si el ángulo entre el menisco y la pared del tubo es a entonces la fuerza hacia arriba es Ts * Cosa.

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El agua en la arena se mueve hacia arriba de la superficie freática en la columna de arena. Las trayectorias entre los granos actúan como capilares. De esto se sigue que el agua puede fluir hacia arriba dado que la presión en estas zona es menor que la atmosférica

Materiales con componentes finos ocasionan que el agua fluya hacia arriba mas allá que lo que podría hacer el agua en materiales con componentes mas gruesos

Si un suelo tiene una mezcla de componentes de distintos tamaños, la tendencia del agua será moverse mas arriba en la zona donde los componentes sean más finos Mecánica de suelos I

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Tension superficial El trabajo necesario para aumentar el área de una superficie líquida, resulta ser experimentalmente proporcional al aumento, definiéndose como coeficiente de tensión superficial la relación entre ambos conceptos.

Ts = dw /dA dw = diferencial de trabajo dA = diferencial de área

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Cuando un líquido presenta al aire una superficie curva, se genera en ese menisco curvo un desnivel de presión, de modo que la presión en el lado convexo es siempre menor que la existente en el lado cóncavo.

En el lado convexo del tubo existe la presión p, mientras en el cóncavo existe la presión pa (presión atmosférica), de modo que:

P = pa – 2Ts R

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Ascensión capilar La ascensión capilar del agua en un suelo que se encuentra sobre el nivel freático subterráneo se debe al efecto combinado de la tensión capilar y la presión hidrostática. Luego la altura capilar se determina igualando la presión hidrostática y la tensión capilar máxima.

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La altura capilar del agua en un tubo capilar de vidrio se determina: La presión P2 en el punto M antes de que el agua ascienda es: P2 = pa – 2Ts R Además se sabe que Cos α = r R R =

r cosα

P2 = pa – 2Ts cos α r Mecánica de suelos I

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pero cuando asciende y se alcanza el equilibrio la presión en M1 debe ser la atmosférica, luego se tendrá: Presión en M1 es P2 + γw h Pa = P2 + γw h Luego reemplazando P2 ,se tiene pa = pa – 2Ts cos α r

+ γw h

u = h γw esfuerzo de tensión El esfuerzo de tensión del agua en cualquier punto de la columna está dado por el producto de la distancia vertical del punto a la superficie libre del líquido y el peso específico del mismo. Mecánica de suelos I

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h = 2Ts cos α r γw h = altura que debe ascender el agua en el tubo capilar Ts = tensión superficial r = radio del tubo capilar α= ángulo de contacto γw = peso específico del agua En el caso del contacto agua –aire, la tensión superficial se considera

Ts = 0.074 gr/cm. ( Ts = 73 dinas/cm)

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En realidad Ts varía con la temperatura del agua y no tiene valor fijo, el valor anterior corresponde aproximadamente a 20° C, por otra parte en el lado de agua sobre vidrio húmedo se vio que el ángulo de contacto α es nulo, luego: h = 2 Ts r h = 2 Ts * 2 r*2

=

4 Ts 2r

= 4 Ts D

si Ts = 0.074 h = 4 * 0.074 = D Mecánica de suelos I

0.3 D Cajamarca, mayo del 2013

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Altura capilar en el suelo La altura capilar de un suelo, se puede estimar hc en centímetros, en función de la relación de vacios y del diámetro efectivo de las partículas

hc =

c . e D10

C: constante que varía de 0.1 a 0.5 e : relación de vacíos D10: tamaño efectivo

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Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad Si el suelo está saturado, el agua ejerce una fuerza de separación entre las partículas sólidas del suelo (presión hidrostática). Luego el suelo empieza a secarse por cualquier causa, que generalmente es el calentamiento por el sol, y el agua que hay en el suelo se evapora, la masa de suelo trata de tomar su nivel freático normal, de esta manera las aguas empiezan a bajar, creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce esfuerzos de compresión en el suelo, pasando este de la presión hidrostática (cuando el suelo estaba saturado), a un esfuerzo de tensión superficial (al tener el fenómeno de capilaridad del agua). De esta manera el suelo entra en un proceso de contracción.

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Hay que tener en cuenta que el suelo debe ser un suelo fino, para poder producir el proceso de capilaridad, y de esta manera crear la tensión superficial necesaria para que el suelo se contraiga. El proceso de la retracción del agua hacia el interior no se hará simultáneamente en toda la masa de suelo, debido a que la masa de suelo tiene diferentes diámetros de poros, produciendo tubos capilares de diferentes diámetros, bajando primero el agua que se encuentra en los canalículos más gruesos (Especie de tubos capilares formados por los poros del suelo).

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