Tema4 parte1

TEMA 4. MECANICA DEL SUELO (II)

permeabilidad y ensayos de resistencia

Mecánica de Suelos y Rocas 2º Grado TM, RE y C. Departamento de Geología. Universidad de Jaén. EPS Linares. Curso 2011/2012

Porosidad y Permeabilidad

porous sediment: < 40% porosity

hard rock:

<1% porosity

porosity: volume proportion made up of voids permeability: connectedness of voids, dictating capacity to transmit flow

What is groundwater?

EL AGUA EN EL INTERIOR DEL SUELO

The Water Table (nivel freático) Material saturated with

water lies below the water table.

Materials that conduct water (are porous and

permeable) are aquifers.

Materials that do not conduct water (are well-cemented, unfractured, etc.) are aquicludes or

confining layers.

Presión total: s

Presión efectiva: s’

Presión intersticial: u

s = s’ + u

PRESIÓN TOTAL, INTERSTICIAL Y EFECTIVA

Gradiente hidraúlico en acuíferos no confinados

Hydraulic head

Example 1: Hydraulic Gradient

0.002m100

m0.2

m100

m30.0m30.2==

• Example, using the picture:

h1 = 30.2 m

h2 = 30.0 m

L = 100 m

• Hydraulic gradient =

Darcy’s experiment Reality For educational purposes only

Ley de Darcy: permeabilidad

Flujo subterráneo • Ley de Darcy: El caudal que circula a través de una tubería rellena de arena es

directamente proporcional a la sección de ésta (A), al gradiente hidráulico (i) y a una constante cuyo valor depende del material que rellena la tubería (K)

Q = K A i

K : permeabilidad o conductividad hidráulica (hydraulic conductivity) (m/d)

K = k g / m , donde g: peso específico del fluido

m: viscosidad del fluido

k: permeabilidad intrínseca (darcy)

Caudal específico o velocidad de Darcy:

Si consideramos la relación entre caudal y superficie, obtenemos el caudal específico (q) o velocidad de Darcy (vD): Q = A K i Q / A = K · i q = vD = K · i La velocidad de Darcy (vD) NO es igual a la velocidad real de flujo (vr), ya que el agua no circula por toda la sección A, sino tan solo por los vacíos (los poros). vD = Q / A Q / A = vr · n vr = vD / n vr = Q / (A·n)

VALIDEZ DE LA LEY DE DARCY La ley de Darcy es aplicable (es decir, la pérdida de carga es proporcional

a la velocidad de flujo) solo en régimen laminar.

A medida que aumenta la velocidad, el régimen laminar pasa a turbulento. Cuando el gradiente hidráulico (i) es elevado, la velocidad aumenta y la ley de Darcy deja de ser aplicable. En medios porosos, la expresión del número de Reynolds es:

NR = (v d r) / m donde v es velocidad de flujo, d es el tamaño medio de las partículas (d50), r es la

densidad y m la viscosidad. En general, se requiere NR < 4 para que el régimen

sea laminar.

Métodos de determinación de la permeabilidad

A) Métodos de laboratorio: permeámetro de carga constante


A) Métodos de laboratorio: permeámetro de carga variable


B) Métodos de determinación in situ: ensayos de bombeo

RESISTENCIA AL CORTE EN SUELOS


Aunque la rotura de suelos con cohesión puede ser en ocasiones por tracción, la forma de rotura más habitual en

los suelos es por esfuerzo cortante (tensión tangencial)

La resistencia al corte no es un parámetro único, depende de: naturaleza, estructura, enlaces, nivel de deformación,

estado tensional, presión de fluidos, etc.

El criterio de rotura más difundido es el propuesto por Coulomb, que relaciona tensiones efectivas normales y tensiones tangenciales actuando en cualquier plano del

suelo

RESISTENCIA DEL SUELO AL ESFUERZO CORTANTE:

- Cohesión efectiva (c): adhesión entre las distintas partículas

-Rozamiento: imbricación entre partículas individuales (ángulo de rozamiento interno efectivo (f))

Se combinan en la ecuación de la resistencia al esfuerzo cortante o

ecuación de Coulomb:

t = c + s · tan f s= tensión efectiva normal



ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Ensayo de laboratorio para medir la resistencia al corte de un suelo.

Se realiza en un aparato compuesto por una caja rígida de acero, de sección cuadrada, dividida en dos mitades, sobre la cual se

coloca la muestra.

Encima de la muestra se aplica una carga vertical. Todo el conjunto se introduce en un recipiente (acero) que puede llenarse

de agua para realizar el ensayo en condiciones de saturación.

La inducción de tensiones cortantes se logra trasladando en horizontal la parte inferior de la caja, mientras que se impide el

movimiento de la zona superior

s

Ensayo de corte directo



ENSAYO DE CORTE DIRECTO – ventajas e inconvenientes

VENTAJAS: ensayo rápido y barato, principios básicos elementales, preparación de muestras sencilla, con cajas grandes se pueden

ensayar materiales de grano grueso, se pueden ensayar resistencia de discontinuidades en roca o contacto hormigón-suelo.

INCONVENIENTES: distribución de tensiones en el corte no es uniforme, superficie de rotura obligada, no se pueden medir

presiones intersticiales, el área de contacto del plano de corte disminuye a medida que se produce el desplazamiento horizontal

entra las mitades de la caja



ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL

Ensayo de laboratorio más difundido para medir la resistencia al corte de un suelo.

Se prepara probeta cilíndrica de suelo, con altura doble del diámetro y se rodea con una membrana impermeable (para controlar las presiones intersticiales).

Se instala la probeta en el pedestal metálico de una célula cilíndrica llena de agua a la que se puede dar presión (presión de cámara: isótropa).

La resistencia al corte se mide aplicando un movimiento ascendente controlado de la célula. En la parte de arriba se contrarresta el movimiento con un pistón rígido, unido a un anillo dinamométrico que mide la reacción para mantener inmóvil la parte superior de la muestra, hasta la rotura.

Ensayo de compresión triaxial

s1 : carga vertical

s3 : presión de confinamiento o presión de cámara

s3

s1

u : presión intersticial

Se llevan a rotura tres muestras idénticas, con tensiones isótropas crecientes

Círculos de Mohr

Envolvente de rotura y círculo de Mohr: estados posibles (a y b) e imposibles (c).



ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE

Consiste en colocar un probeta de suelo cilíndrica (prismática) en una prensa “ordinaria” y romperla en compresión (sin ningún confinamiento lateral).

Solamente se puede llevar a cabo sobre suelos cohesivos (para no desmoronarse)

Es un ensayo muy rápido, por lo que supone que no se produce disipación de las presiones intersticiales (también son muestras muy impermeables).

En este ensayo la resistencia al corte sin drenaje corresponde al radio del Círculo de Mohr correspondiente (σ1 – σ3)

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