Mecánica de Suelos – Permeabilidad – Conservación de la energía
El agua ocupa la mayor parte de los vacíos del suelo. Y cuando es sometida a diferencias potenciales, ella se traslada al interior. Las leyes que rigen los fenómenos de flujo de agua en suelos aplicados en las más diversas situaciones de la ingeniería como:
a- En el cálculo de los flujos, en la estimativa de la cantidad de agua que se infiltra en una excavación o la pérdida de agua en el reservorio o presa.
b- En el análisis de los asentamientos, porque frecuentemente el asentamiento está relacionado al índice de vacíos que ocurre por la expulsión de agua de estos vacíos y;
c- En los estudios de estabilidad general de la masa de suelo, porque la tensión efectiva (que dirige la resistencia del suelo) depende de la presión neutra, que por su parte, depende de las tensiones provocadas por la filtración del agua.
d- Posibilidades del agua de infiltración produce erosión y consecuentemente el arrastre del material sólido al interior del macizo “piping”
El estudio de los fenómenos de flujo de agua en suelos es realizado apoyándose en tres conceptos básicos:
1 – Conservación de la energía (Bernoulli)
2 – Permeabilidad del suelo (Ley de Darcy)
3 – Conservación de la masa
Conservación de la energía
El concepto de energía total de un fluido formulado por Bernoulli está expresado en relación al peso de un fluído de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde:
htotal – ES La energía total del fluído;
z – es la coordenada del punto considerado con relación a un dato referencial estándar.
u – es el valor de la presión neutra;
v – es la velocidad de flujo de la partícula de agua;
g – es el valor de la aceleración de la gravedad terrestre.
Para la gran mayoría de los problemas que involucran el flujo de agua en los suelos, la parte de la energía total del agua en el suelo referente a la energía cinética, término:
Puede ser despreciada de la siguiente manera:
Ley de Darcy
Experimetnalmente, Darcy en el año de 1850, verificó como los diversos factores geométricos, indicados en la figura 1, influenciaban el flujo de agua, expresando la ecuación de Darcy:
donde:
Q – flujo;
A – área del permeámetro;
k – el coeficiente de permeabilidad;
h – carga disipada en la filtración;
L – distancia en la cual la carga se disipa
La relación
es llamada como gradiente hidráulico, expresado por la letra i.
Entonces:
Figura 1: Agua filtrándose en un permeámetro
El flujo dividido por el área indica la velocidad con que el agua sale de la arena. Esta velocidad v, se llama como velocidad de filtración. La Ley de Darcy es válida solamente para los casos de flujo laminar.
Entonces: v = ki
Permeabilidad
Permeabilidad es la propiedad que los suelos tienen de permitir el flujo de agua a través de sus vacíos. Su evaluación se realiza a través del coeficiente de permeabilidad.
