El agua, la presión y los fenómenos de sifonamiento y licuefacción en el suelo

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Escuela de Ciencias de la Tierra Escuela de Ciencias de la Tierra Departamento de Ingeniería Geológica Departamento de Ingeniería Geológica

Mecánica de Suelos Mecánica de Suelos

Sección 01 Sección 01

EL

EL

AGUA,

AGUA,

LA PRESIÓN Y LOS

LA PRESIÓN Y LOS

FENÓMENOS

FENÓMENOS

DE SIFON

DE SIFON

AMIENTO Y

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LICUEF

LICUEF

ACCIÓN EN

ACCIÓN EN

EL SUELO

EL SUELO

Profesor: Profesor:

 Ramos, Javier.Ramos, Javier.

Bachiller: Bachiller:

 De Luca, Andrea.De Luca, Andrea.

C.I: 24.037.949. C.I: 24.037.949.

Ciudad Bolívar, abril del 2018 Ciudad Bolívar, abril del 2018

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Contenido

Introducción ... 4

1. El agua en el suelo. ... 5

1.1. Tipos de agua en el suelo. ... 5

1.1.1. Agua freática... 5

1.1.2. Agua gravitacional. ... 5

1.1.3. Agua retenida. ... 5

1.2. Diferencias entre los tipos de agua. ... 6

1.3. Efectos del agua en el suelo. ... 6

1.3.1. Lubricación. ... 6

1.3.2. Presiones de poros. ... 6

1.3.3. Ablandamiento. ... 6

1.3.4. Tensiones capilares. ... 6

1.3.5. Sub-presiones. ... 7

2. Ascenso de agua a través del suelo. ... 7

2.1. Capilaridad. ... 7

2.1.1. Teoría del tubo capilar. ... 7

2.2. Efecto del ascenso del agua en los suelos. ... 7

3. Licuefacción. ... 9

3.1. Consecuencias. ... 9

3.2. Factores que influyen en la licuefacción de los suelos. ... 9

3.2.1. Granulometría del suelo... 9

3.2.2. Profundidad del Nivel Freático. ... 10

3.2.3. Densidad Relativa ... 10

4. Sifonamiento. ... 11

4.1. Consecuencias. ... 11

4.2. Filtración y flujo de agua subterránea. ... 11

4.2.1. Inestabilidad en el fondo de una excavación. ... 11

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5. Presión en los suelos. ... 12

5.1. Presión total (P). ... 12

5.2. Presión neutra o de poros (UW). ... 12

5.2.1. Ejemplo. ... 12

5.3. Presión efectiva o hidrostática (Po). ... 12

5.3.1. Ejemplo. ... 12

Conclusión. ... 13

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Introducción

El agua es uno de los principales factores que influyen en la formación y transformación de los suelos, esta ayuda a la clasificación de los suelos en saturados, no saturados y  parcialmente saturados y a su vez los suelos nos proporcionan factores para clasificar el

agua según el estado en que esta se encuentre en el suelo pudiendo ser Agua Freática que es cuando esta yace en la parte subterránea del suelo o cuando yace en los poros pudiendo fluir sin impedimento que es cuando el agua es Gravitacional y también pudiendo ser Agua Retenida que es cuando yace en los poros más finos del suelo de menos de 10 micras.

El suelo posee una característica llamada Capilaridad que otorga al agua la capacidad de movilizarse y ascender a través del suelo. También el suelo experimenta dos fenómenos:, la Licuefacción de suelos, la cual es un estado temporal del suelo y ocurre cuando éste es sometido a vibraciones sísmicas, haciendo que cambie de un estado sólido a líquido, generando un suelo con una capacidad de resistencia casi nula y por su lado el Sifonamiento es un fenómeno que puede tener lugar en excavaciones bajo el nivel freático, y en general, en cualquier situación en que se genere una diferencia de potencial hidráulico importante.

El suelo también es sometido al esfuerzo llamado presión, esta puede ser total que es cuando se realiza la sumatoria de todas las fuerzas, puede ser efectiva o de poros las cuales van a variar dependiendo de si el suelo está saturado, no saturado o sumergido.

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1. El agua en el suelo.

1.1. Tipos de agua en el suelo.

1.1.1. Agua freática.

Las Aguas freáticas son aquellas que se acumulan bajo la tierra, almacenadas en los poros que existen en sedimentos como la arena y la grava, y en las fisuras que se encuentran en rocas. El agua freática es parte de la precipitación que se filtra a través del suelo hasta llegar al material rocoso que está saturado de agua, se mueve lentamente hacia los niveles bajos, generalmente en ángulos inclinados (debido a la gravedad) y eventualmente llegan a los arroyos, los lagos y los océanos. Ellas proceden de la precipitación y la condensación, excepto otras como las aguas connatas o fósiles (sedimentarias) y las juveniles (magmáticas).

1.1.2. Agua gravitacional.

Son pequeñas gotas de agua que quedan entre los poros de la tierra y que pueden moverse con facilidad. Este tipo de agua es el que las plantas pueden usar con mayor facilidad. La existencia de agua gravitacional en los suelos dependerá fundamentalmente de su composición y granulometría. Suelos de gravas o arenas drenan rápidamente, perdiendo el agua gravitacional; sin embargo, los suelos con malos drenajes, como los arcillosos retienen una mayor cantidad de agua y por espacios de tiempo largos.

1.1.3. Agua retenida.

Es el agua que ocupa los mesoporos y microporos del suelo, donde las fuerzas capilares ascendentes son más fuertes que la gravedad. Puede ser Capilar o Higroscópica.

1.1.3.1. Agua capilar.

Se encuentra en los capilares del suelo. Los capilares son pequeños poros mucho más  pequeños que los estudiados en el agua gravitacional, se diferencian de ellos en que las  paredes del poro ejercen sobre el agua. Este tipo de agua puede ser obtenida por las plantas, siempre que la fuerza de absorción de las raíces sea superior a la tensión superficial que haya generado entre las paredes del capilar y el agua.

1.1.3.2. Agua higroscópica.

Es el agua que queda retenida en los microporos, formando una película muy fina que recubre la pared de las partículas del suelo. Está tan fuertemente retenida que no es absorbible por las raíces.

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1.2. Diferencias entre los tipos de agua.

 El agua freática tiene un drenaje fluido y está en constante renovación mientras que

el agua retenida al esta yacer en los poros más finos su drenaje presenta mayor dificultad.

 El agua gravitacional al igual que la retenida se encuentra dentro de los poros del

suelo, pero la gravitacional puede ser drenada mientras que la retenida no.

 El agua gravitacional ocupa los poros de mayor tamaño del suelo mientras que agua

retenida ocupa los poros más finos.

1.3. Efectos del agua en el suelo.

1.3.1. Lubricación.

El efecto de lubricación ocurre principalmente (La lo largo de fracturas o planos de estratificación en rocas o suelos estratificados. La lubricación reduce la resistencia y especialmente la fricción a lo largo de las discontinuidades. En los suelos arcillosos la lubricación se debe a que la presencia del agua produce una repulsión o separación entre las  partículas. El efecto de lubricación puede ser magnificado por la presencia de las presiones de poros. La lubricación es muy importante en los suelos sub-superficiales y tiene menor importancia en la parte interna de la masa de suelo, donde la presión de poros es el efecto fundamental.

1.3.2. Presiones de poros.

Es la presión interna del agua de saturación. El agua subterránea (o agua freática) ejerce  presiones de poros sobre las partículas de suelo, disminuye la presión efectiva y la resistencia al cortante. La presión de poros dentro del suelo, depende de la localización de los niveles freáticos, de las presiones internas de los acuíferos y de las características geológicas del sitio.

1.3.3. Ablandamiento.

Se manifiesta principalmente en las propiedades físicas de los materiales de relleno en fracturas y planos de falla en rocas. El material de relleno puede tener un efecto de debilitamiento debido al aumento de contenido de agua.

1.3.4. Tensiones capilares.

Las tensiones negativas o de capilaridad en la zona no saturada del perfil del suelo, se manifiestan en un aumento de la resistencia por adherencia de las partículas del suelo.

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1.3.5. Sub-presiones.

El agua subterránea confinada actúa como sub-presión sobre las capas impermeables, disminuyendo la resistencia al corte y ejerciendo presiones hidrostáticas sobre los contactos de cambio de permeabilidad. Estos esfuerzos de levantamiento, pueden inducir a deformaciones o rotura de los materiales y las presiones de poros disminuyen la resistencia de los suelos.

2. Ascenso de agua a través del suelo. 2.1. Capilaridad.

Ascensión del agua por encima del nivel freático del terreno a través de los espacios intersticiales del suelo, en un movimiento contrario al de la gravedad.

El movimiento ascendente del agua en un tubo capilar representa el fenómeno de capilaridad. Dos fuerzas son responsables por la capilaridad: 1ro. La atracción del agua por superficies sólidas (adhesión o adsorción) y 2do. La tensión superficial del agua, que en gran parte está debida a la atracción entre las moléculas de agua (cohesión).

2.1.1. Teoría del tubo capilar.

Donde:

P: Es el peso de la columna de agua F: Fuerza de ascensión capilar:

Ts: tensión superficial del agua por

unidad de línea de contacto entre el agua y el tubo (≅0,0764 g/cm para agua pura

y vidrio limpio).

hc: altura de la ascensión capilar; d: diámetro del tubo

γa = peso específico del agua

α  = ángulo de contacto (en el caso del

agua y vidrio limpio este ángulo es cero).

2.2. Efecto del ascenso del agua en los suelos.

Antes de comenzar a describir cómo asciende y los efectos que causa el ascenso del agua  por medio de los suelos debemos saber cómo se encuentran organizadas las distintas  partículas del suelo: El suelo es un medio constituido por partículas, tanto minerales como

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orgánicas, de muy diversos tamaños, desde las piedras fácilmente apreciables a simple vista hasta las partículas de arcilla menores de 0,002 mm. Algunas de estas partículas  pueden encontrarse separadas, mientras que otras están unidas entre sí formando

agrupaciones mayores, más o menos duraderas, denominadas agregados. Estos pueden tener distintas formas y tamaños y están formados por la agregación de partículas relativamente gruesas unidas por materiales cementantes más finos. Entre estas partículas y agregados se encuentra un sistema de poros formado por huecos, también de muy diversas formas y tamaños, interconectados en todas las direcciones. Normalmente los poros más  pequeños se encuentran ocupados por agua y los mayores por aire. Esta distribución en el

espacio de la materia sólida y de los espacios vacíos es lo que se conoce como estructura del suelo.

Los continuos espacios vacíos del suelo pueden comportarse en conjunto como tubos capilares con secciones transversales diferentes. En contraste con lo que ocurre en los tubos, los vacíos continuos del suelo se comunican entre si en toda dirección, constituyendo un enrejado de vacíos. En la Figura 1 se ha colocado suelo en un cilindro transparente. La  parte inferior ha sido protegida para evitar que el suelo salga pero permitir el contacto con

el agua, mientras que el extremo superior queda expuesto a la atmósfera. Algún tiempo después de poner en contacto la parte inferior del tubo con el agua, la Figura 1.a muestra que el agua asciende capilarmente hasta una altura máxima hc. A una altura hcs, la Figura 1.b muestra que el suelo está completamente saturado, mientras la región de suelo comprendida entre hcs y hc según la Figura 1.b, está parcialmente saturada de agua. La Figura 1.c, muestra que el ascenso capilar resulta ser más rápido mientras el grado de saturación disminuya. Hazen (1930).

Figura 1. Ascenso capilar en el suelo (Terzagui & Peck; Das, 1998).(a) Columna de suelo en contacto con el agua. (b) Variación del grado e saturación en la columna de suelo. (c) Variación de la velocidad del ascenso capilar en el suelo.

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3. Licuefacción.

En determinados suelos de naturaleza contractiva, es decir, con tendencia a la disminución de volumen durante el corte, la ocurrencia de un terremoto severo puede producir el incremento gradual de las presiones de poro, reduciendo la resistencia del suelo y su rigidez. A este fenómeno se le conoce como licuefacción y sus efectos asociados han sido responsables de una gran cantidad de daños en terremotos históricos alrededor del mundo. La licuefacción ocurre en suelos saturados, esto es, suelos en los cuales los espacios entre las partículas individuales están completamente llenos de agua. Esta agua ejerce una  presión sobre las partículas de suelo lo cual influencia la forma como las partículas por sí

mismas son presionadas juntas. Antes del terremoto, la presión de agua es relativamente  baja. Sin embargo, el movimiento sísmico puede causar que la presión de agua se incremente al punto donde las partículas de suelo puedan fácilmente moverse una con respecto a la otra.

La licuefacción se define como “La transformación de un material granular de un estado sólido aun estado licuado como consecuencia del incremento de la presión de agua de  poros”.

La causa más dramática de daños a edificaciones y obras civiles durante un terremoto o cismo es el fenómeno licuefacción, el cual es un proceso en el cual el suelo cambia de un material firme a un material viscoso semi-líquido y bajo condiciones similares a una arena movediza

3.1. Consecuencias.

La licuefacción es más probable en suelos granulados sueltos y saturados con un drenaje  pobre, tales como arenas sedimentadas o gravas que contienen sedimentos impermeables.

Los tipos de suelo vulnerables a este fenómeno, son aquellos formados por depósitos de terreno que fluctúan entre la edad de 10,000 años, los cuales, mayormente, pueden ser: arenas o sedimentos de tamaños de partículas similares y se encuentren contiguos a de ríos o playas.

3.2. Factores que influyen en la licuefacción de los suelos.

3.2.1. Granulometría del suelo.

Los suelos más susceptibles a sufrir licuefacción son aquellos que poseen una granulometría uniforme, siendo las arenas finas uniformes las que son más propensas a licuar que las arenas gruesas uniformes. Además, según algunos autores las arenas limosas  poseen mayor resistencia a sufrir licuefacción con respecto a las arenas limpias o con escaso contenido de finos. El problema de licuefacción será más serio si el suelo tiene un coeficiente de uniformidad mayor o igual a 2. De esta forma, los suelos granulares con

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 partículas angulares, bien graduados son menos susceptibles de licuarse que suelos con  partículas redondas y/o uniformemente graduado.

3.2.1.1. Clasificación SUCS para un suelo potencialmente licuefactible.

Las arenas clasificadas como CL-ML, SM-SC, o GM-GC son potencialmente licuables (Youd, 1998). Por otra lado, Wang, 1979, afirma que si un Suelo granular tiene menos del 15 % de finos (arcillosos) y el límite líquido (LL) es mayor que 35 % y el contenido natural de agua es menor de 90 %, estos materiales también se consideran no licuable.

3.2.2. Profundidad del Nivel Freático.

Es una condición necesaria para que ocurra licuefacción. La presión de poros, producida  por el agua que ocupa los vacíos existentes entre las partículas del material debido a la  posición del nivel freático, se incrementa por efecto de la vibración producida en el movimiento sísmico. Por consiguiente, la ubicación del nivel freático cuando se produzca un terremoto en un depósito arenoso, será de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lo tanto, influirá también en el esfuerzo efectivo.

3.2.3. Densidad Relativa

Durante la ocurrencia de un terremoto, una arena suelta puede sufrir licuefacción mientras que este mismo suelo en un estado más compacto puede no evidenciar el fenómeno. Una arena con un valor de resistencia a la penetración estándar de 40 golpes/30cm (densidad relativa de 70 a 80%) puede mostrar evidencias de licuación en la forma de volcanes de arena, pero no es probable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la influencia de la vibración sísmica, aún después de que se hayan desarrollado altas presiones de poros. En contraste con ello, arenas con valor de 20 golpes/pie (densidad relativa de 30 a 60%), pueden desarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentar deformaciones por corte muy grandes del orden del 25-30%, bajo la acción de los esfuerzos de corte aplicados.

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4. Sifonamiento.

Es un fenómeno de inestabilidad hidráulica que se produce en suelos granulares sin cohesión. Se da mayormente en excavaciones bajo el nivel freático y en toda situación cuya diferencia de potencial hidráulico tenga una diferencia muy significativa.

4.1. Consecuencias.

La forma más aproximada a la teoría es la siguiente: al aumentar la profundidad de la excavación, el fondo se ablanda, pero, si no se tiene en cuenta este aviso y se sigue  profundizando, se llega a un momento en el que, con cierta brusquedad el fondo se levanta  perceptiblemente y el terreno se convierte en un fluido denso. La entibación puede colapsar, y entrar el conjunto en una inestabilidad total. Los casos más graves de sifonamiento suelen presentarse en terrenos de arena fina uniformes. En suelos granulares  bien graduados no suele ocurrir de esta manera y el suelo se ablanda, para terminar con tubificaciones o, a lo más, zonas locales inestables. En los suelos arcillosos, la cohesión ayuda a evitar la separación de las partículas.

4.2. Filtración y flujo de agua subterránea.

4.2.1. Inestabilidad en el fondo de una excavación.

La ejecución de excavaciones bajo el nivel de la capa freática, constituye un problema considerable en el ámbito de las obras de Ingeniería resultando particularmente difícil en determinados terrenos en los que la excavación, bajo la acción del agua, se vuelve inestable.

Esta inestabilidad puede presentarse bajo diferentes aspectos:

 Erosión superficial.

 Inestabilidad de los taludes.  Inestabilidad del fondo.

En una excavación con los taludes estabilizados por medio de entibación, queda latente el  peligro de la inestabilidad del fondo.

4.2.2. Comportamiento del terreno.

Cuando el agua fluye a través de una masa de suelo, la resistencia debida a la viscosidad en los canales formados por los poros, produce unas fuerzas de filtración que el agua transmite a las partículas del suelo. En puntos de la masa de suelo donde predomine el flujo ascendente, estas fuerzas de filtración tiendan a disminuir la tensión efectiva entre las  partículas del suelo, provocando una reducción de la resistencia al esfuerzo cortante de la

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5. Presión en los suelos.

En general, la presión es el concepto que relaciona la fuerza aplicada sobre una superficie con el área de esa superficie. Así, la presión de una fuerza sobre una superficie es la razón entre el componente normal de fuerza y el área de la superficie en la cual ella actúa: p = F/A.

5.1. Presión total (P).

La presión normal total (P), en cualquier punto de una sección a través de un suelo saturado, está formado por tanto de dos partes; la presión neutra o presión de poros (UW) y

la presión efectiva (Po) que tiene su asiento exclusivamente en la fase solida del suelo. 5.2. Presión neutra o de poros (UW).

Es la presión del agua que se transmite a través de sus poros, este incremento de presión es debido al incremento del agua, no modifica la relación de vacíos, ni altera la resistencia al corte de los suelos o cualquier otra propiedad mecaniza del suelo.

5.2.1. Ejemplo.

Cuando hacemos café utilizando una manga o un colador, al verter el agua esta pasa por el café al entrar en contacto con la manga imaginando que este limite entre el café y la manga es el nivel freático el agua logra ser drenada pasando por los poros de la manga.

5.3. Presión efectiva o hidrostática (Po).

Es el esfuerzo que se transmite por el contacto de las partículas de suelo, debido a una carga “Q” por unidad de área que actúa en la superficie del suelo, modificándose la relación de vacíos, la permeabilidad, la resistencia al corte de los suelos y la compresibilidad.

5.3.1. Ejemplo.

Un edema es un acumulo de líquido en los tejidos. El líquido es el que está entre las células. El edema se forma por la presión hidrostática de la sangre a través de los capilares. Lo que atraviesa el espacio entre las células constituirá dicho líquido. Conforme la sangre pasa por el capilar disminuirá su presión hidrostática.

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Conclusión.

El agua es un factor sumamente influyente en los diferentes procesos que el suelo realiza, sin la presión que ejerce esta en los suelos no podría ser drenada, y al quedar retenida esta  puede llegar a movilizarse o inerte que sería rellenando poros finos. También causa distintos efectos en el suelo que son de importancia y deben ser estudiados como la lubricación, absorción, presión los poros ya que al ignorar estos factores que el agua causa en los suelos puede ocurrir accidentes como el deslizamiento de taludes, entre otras consecuencias. Así mismo los fenómenos de licuefacción y sifonamiento deben ser estudiados ya que pueden ser prevenidos.

En cuanto a las presiones tenemos que definen el comportamiento del agua en el suelo, ya sea que la presión sea efectiva cuando el agua modifica la relación de vacíos y la mecánica del suelo en sí o cuando por el contrario la presión es de poros y no modifica ni la relación de vacíos ni la mecánica del suelo, o si la presión es total que ocurre cuando el suelo se encuentra en estado sólido o seco.

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Referencias electrónicas.

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Ing. Jaime Suarez.

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