4. PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS SUELOS. INTRODUCCION El suelo es un material con arreglo variable de sus partículas que dejan entre ellas una serie de poros conectados unos con otros para formar una compleja red de canales de diferentes magnitudes que se comunican entre sí; de aquí que el agua que cae sobre el suelo parte escurre sobre la superficie, y parte se infiltra por acción de la gravedad hasta estratos impermeables más profundos, formando la llamada capa freática. El límite superior de este manto acuoso se llama Nivel Freático (N.F.) Uno de los grandes problemas a los que se enfrenta comúnmente el Ingeniero civil se refiere al flujo de agua a través de los suelos que influye en el comportamiento de los mismos. Para analizar estos problemas, se emplean modelos que se alimentan de los parámetros obtenidos ya sea en pruebas de campo o en ensayes de laboratorio de Permeabilidad en muestras lo menos alteradas posible, o al menos tratando de reproducir en el laboratorio su grado de compacidad en estado natural. 4.1 FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO De acuerdo con las investigaciones realizadas por Osborne Reynolds hacia finales del siglo XIX, el flujo del agua puede producirse en dos estados característicos diferentes, denominados Flujo Laminar y Flujo Turbulento, El flujo Laminar es ordenado y en capas, cada partícula de agua fluye siguiendo una trayectoria definida que nunca corta la trayectoria de otra partícula. En el rango de flujo Laminar, el gradiente hidráulico (por ejemplo, pérdida de carga debida la fricción por unidad de longitud a lo largo de la trayectoria del flujo) es proporcional a la velocidad del flujo. Esta clase de flujo es típica cuando las velocidades son bajas. A altas velocidades se observa un patrón de flujo más irregular o turbulento en el que las trayectorias del flujo se entrecruzan al azar. En este caso se encuentra que el gradiente hidráulico varía con el cuadrado de la velocidad. Cuando el ingeniero geotecnista prevea que se presentará un flujo de agua dentro de la masa del suelo en su obra, es conveniente que garantice que el agua fluya bajo el régimen laminar a velocidades relativamente pequeñas, de lo contrario se presentará el fenómeno conocido como régimen turbulento caracterizado por la generación de vórtices que se generan por la fricción entre las moléculas del agua cuando estas rebasan cierta velocidad de desplazamiento; este comportamiento puede generar, entre otros riesgos, el arrastre de granos de suelo que tiene como consecuencia la formación de tubos dentro de la masa de suelo, efecto conocido como tubificación. 4.2 LEY DE DARCY Y COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD. Los poros de una masa de suelo están interconectados de una manera en extremo compleja y completamente aleatoria que origina en la masa del suelo canales de flujo estrechos, de forma irregular y entrelazada. En consecuencia, es imposible analizar el flujo en cada poro individualmente. Sin embargo en los problemas de ingeniería en los que interviene la filtración de agua a través de los suelos no es de interés el micro flujo en cada poro, sino el macro flujo a través de todos los poros de la masa del suelo. Tal flujo fue estudiado por el Francés Henry Darcy en 1856 con una serie de experimentos sobre lechos filtrantes de arena.

Como resultado de sus experimentos Darcy estableció la ley que rige el flujo del agua a través de los suelos, expresándola como sigue:

Q = k i A

Donde: Q = gasto que pasa a través de la muestra K = Coeficiente de Permeabilidad i = Gradiente Hidráulico A = Área de la sección transversal de la muestra El Coeficiente de Permeabilidad k depende del tamaño y forma de los granos que componen el suelo, de la relación de vacíos, del Grado de Saturación, del contenido de materia orgánica y de la temperatura y solubilidad de sus elementos. Siendo este coeficiente distinto para cada tipo de suelo, es necesario determinarlo experimentalmente, mediante pruebas de permeabilidad, en cada caso particular. La velocidad con que circula el agua a través de un medio, es igual al gradiente hidráulico multiplicado por una constante propia del medio llamada Coeficiente de Permeabilidad " k "

V = k • i Donde: V = Velocidad de descarga i = Gradiente Hidráulico k = Coeficiente de Permeabilidad La velocidad de descarga es la que lleva al agua inmediatamente antes de entrar en el suelo o inmediatamente de salir de él. Esta ecuación es la Ley de Darcy para el flujo a través de los suelos, la cual afirma que la velocidad de descarga es directamente proporcional al gradiente hidráulico. Más adelante Reynolds observó que está es una característica distintiva del flujo Laminar.

Gradiente Hidráulico El Gradiente Hidráulico es una medida de la energía que impulsa al agua a moverse dentro del suelo. Es un concepto adimensional y representa la pérdida de carga hidráulica por unidad de longitud esto es i = h / L En Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones se debe saber cuánta agua fluye a través del suelo en un tiempo unitario. Este conocimiento se requiere para el diseño de presas de tierra, para determinar la cantidad de infiltración bajo estructuras hidráulicas y para desaguar antes y durante la construcción de cimentaciones. Permeabilidad de un Suelo. Se refiere a la capacidad para permitir el paso de una corriente de agua a través de su masa.

4.3 Métodos para medir el Coeficiente de Permeabilidad Para determinar la permeabilidad hidráulica de un suelo se usan principalmente dos pruebas de laboratorio: la prueba de carga constante y la prueba de carga variable. La primera se usa principalmente para suelos de grano grueso, sin embargo para los suelos de grano fino, las tasas de flujo a través del suelo son muy pequeñas y se prefieren por ello las pruebas de carga variable. 4.3.1 Prueba de permeabilidad bajo Carga Constante Consiste en un tubo que contiene una muestra de suelo y es alimentada con agua, de modo que su gradiente hidráulico es el mismo durante toda la prueba, la cual consiste en recoger el agua que logra pasar a través del suelo durante un lapso de tiempo determinado, obteniéndose que el gasto q = V / t Ofrece el método más simple para determinar el Coeficiente de Permeabilidad de un suelo. Una muestra de suelo de área Transversal A y longitud L, confinada en un tubo, se somete a una carga hidráulica h. El agua fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad (en cm3) que pasa en el tiempo t, Aplicando la ley de DARCY : V = K . A . i . t , donde V es la mencionada cantidad de agua. El gradiente hidráulico medio vale : i = h / L El gasto que pasa a través del tubo que contiene la muestra de suelo es igual al que atraviesa dicha muestra, por lo que:

k =

V L

A h t

Donde: V = Volumen recogido por el recipiente durante el tiempo que dura la prueba (cm3) L = Longitud de la muestra de suelo (cm) A = Área de la sección transversal de la muestra de suelo (cm2) h = Carga hidráulica (cm) t = Tiempo de duración de la prueba (seg) El inconveniente del Permeámetro de carga constante es que, en suelos poco permeables, el tiempo de prueba se hace tan largo que deja de ser práctico, usando gradientes hidráulicos razonables. 4.3.2 Prueba de permeabilidad bajo Carga Variable En este tipo de prueba se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra.

Este tipo de prueba solo puede hacerse en materiales que no sean muy impermeables, de modo que el volumen de agua recogido en el recipiente no tenga tiempo de sufrir evaporación.

Con referencia a la Figura: a = Área del tubo vertical de carga (tubo capilar) A = Área de la sección transversal de la muestra L = Longitud de la muestra h1 = Carga Hidráulica al principio de la prueba h2 = Carga Hidráulica al final de la prueba t = Tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h1 a h2.

4.4 Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos La permeabilidad de los suelos se ve afectada por diversos factores inherentes tanto al suelo como a características del agua circulante. Los principales son:

1. La relación de vacíos.

2. La temperatura del agua, que afecta la viscosidad del fluido.

3. La estructura y estratificación del suelo.

4. La existencia de agujeros, fisuras, etc., en el suelo

5. Distribución del tamaño de los poros.

6. La rugosidad de las partículas minerales

7. El grado de saturación del suelo