La conductividad hidráulica es un concepto fundamental en la ingeniería geotécnica y especialmente en la ingeniería civil, ya que juega un papel crucial en la estabilidad de taludes, el estudio de la filtración subterránea y por tanto en la seguridad de la población beneficiaria. Los suelos con alta conductividad hidráulica pueden permitir una rápida infiltración de agua, lo que puede saturar el suelo y aumentar su peso y presión de poro. La conductividad hidráulica, que se refiere a la capacidad de un suelo o roca para transmitir agua, se considera, por tanto, un problema fundamental para el diseño de suelos.
Comprender la conductividad hidráulica permite a los ingenieros evaluar cómo el flujo de agua subterránea puede afectar la estabilidad de las estructuras de ingeniería durante el diseño, la construcción y la operación de diversas obras. Esta monografía se centrará en la investigación y comprensión de la conductividad hidráulica y su efecto sobre la estabilidad de estructuras geotécnicas utilizadas en ingeniería civil. Para lograr este objetivo se seguirá una metodología que combina una revisión exhaustiva de información científica procedente de una fuente fiable y un análisis teórico de conceptos clave relacionados con la conductividad hidráulica mediante ejercicios de aplicación que nos permitan comprender estos conceptos básicos.
OBJETIVOS
ECUACIÓN DE BERNOULLI
Esta ecuación indica que la suma de la presión estática, la energía cinética y la energía potencial por La masa unitaria de un fluido es constante a lo largo de una línea de corriente. Para entender este tema, supongamos que seguimos una partícula de fluido a lo largo de una línea de corriente en una tubería o cable, consulte la Figura 1. La idea principal aquí es que esta ecuación describe la energía total de una partícula de fluido en un punto dado a lo largo de la línea de corriente. Donde 𝐸1 es la energía en un punto inicial y 𝐸2 es la energía en un punto posterior de la misma línea de corriente.
8 Tenga en cuenta que el cambio de elevación, Z, es la distancia vertical de un punto dado por encima o por debajo de un plano de referencia. La altura de presión es la presión del agua u en ese punto dividida por el peso unitario del agua 𝛾𝑤. La presión de cabeza en un punto es la altura de la columna vertical de agua en el piezómetro instalado en ese punto.
LEY DE DARCY
- BIOGRAFIA DE HENRI DARCY
- DEMOSTRACIÓN DE LA LEY DE DARCY
- HIPÓTESIS DE DARCY
- VELOCIDAD DE DARCY Y VELOCIDAD DE FILTRACIÓN
- LIMITACIONES
De su investigación pudo deducir que el flujo de agua a través del permeámetro era directamente proporcional tanto al área de la sección transversal como al gradiente hidráulico. Utilizando la Figura 6 se puede describir en detalle lo que sucede con la conductividad hidráulica del suelo. La velocidad de Darcy o descarga de agua, denominada "v", está relacionada con el área transversal bruta del suelo.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que la tasa real de filtración de agua a través de los espacios vacíos es mayor que este "vs". Podemos establecer una relación entre la tasa de descarga y la tasa de drenaje observando la Figura 7, que representa un suelo de longitud "L" y área transversal bruta "A". Si la cantidad de agua que pasa por el suelo por unidad de tiempo se denota como Según (Braja, M. Das, 2015) es fundamental tener en cuenta que los conceptos de velocidad real y velocidad de filtrado se definen en un contexto específico.
CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA
EJERCICIO DE APLICACIÓN
La diferencia de nivel del agua entre los pozos A y B es de 4,2 metros. Otros datos se indican en la imagen: ancho promedio de los escombros: 80 metros; profundidad media de los escombros: 7 metros; Profundidad media de la superficie freática: 2 metros.
DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA EN LABORATORIO 19
PRUEBA DE CARGA VARIABLE
La prueba de carga variable, prueba de caída de carga o prueba de permeabilidad de cabeza descendente, es un método de laboratorio utilizado para medir la permeabilidad de suelos de grano fino como limo y arcilla. En estos suelos, el flujo de agua que circula a través de ellos es demasiado lento para realizar mediciones precisas con el permeámetro de altura constante, por lo que el permeámetro de altura variable puede medir conductividades hidráulicas entre 10-4 < k < 10-7 m/s. 23 Para determinar la permeabilidad de un suelo utilizando el método de carga de caída, se coloca una muestra de suelo representativa en un cilindro con un diámetro de 100 mm.
Los bordes de la muestra se protegen con piedras porosas para evitar la pérdida de agua. La muestra se satura completamente con agua, siguiendo un procedimiento similar al utilizado en el método de carga constante. El tubo de carga se llena con agua, lo que permite que el agua carbonatada pase a través de la muestra de suelo durante un tiempo específico.
Al inicio y al final de la prueba se registra el nivel de la columna de agua en la tubería de carga. La conductividad hidráulica real se calcula como la media aritmética de las conductividades hidráulicas obtenidas en los tres ensayos. 24 También se puede presentar de forma simplificada, ya que en algunos casos no es posible tener tuberías de carga de diferentes diámetros.
En este caso, la altura inicial de la columna de agua en el tubo se puede cambiar para obtener diferentes condiciones de carga.
EJERCICIO DE APLIACION
RELACIONES EMPIRICAS PARA LA CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA
SUELO GRANULAR
27 Otra ecuación empírica que da bastante buenos resultados en la evaluación de la conductividad hidráulica de suelos arenosos se basa en la ecuación de Kozeny-Carman. Esta ecuación ha sido ampliamente utilizada en geotecnia e ingeniería de suelos para estimar la conductividad hidráulica en suelos granulares. 𝐶𝑠= factor de forma, que es función de la forma de los canales de flujo 𝑆𝑠 = área de superficie específica por unidad de volumen de partículas T = rotación de los canales de flujo.
Para uso práctico, Carrier modificó la ecuación de Kozeny-Carman de la siguiente manera.
SUELO COHESIVO
Sin embargo, es importante recordar que, al igual que otras relaciones empíricas, su aplicación puede tener limitaciones y su precisión puede variar dependiendo de las condiciones específicas del suelo y del entorno en el que se aplica. Tavenas también propuso una correlación entre la proporción de huecos y la conductividad hidráulica del suelo arcilloso para el flujo vertical. Sin embargo, un punto importante a tener en cuenta es que PI, el índice de plasticidad, y CF, la fracción de tamaño de arcilla en el suelo, están en forma fraccionaria (decimal).
EJERCICIO DE APLICACIÓN
Calculamos la suma de la siguiente fórmula utilizando las partículas entre dos tamices consecutivos y los diámetros de estos tamices.
CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA EQUIVALENTE EN SUELOS ESTRATIFICADOS
La situación de las relaciones anteriores para las velocidades en la ecuación anterior, observando que 𝑖𝑒𝑞 = 𝑖2 = 𝑖2 = 𝑖3 = ⋯ 𝑖𝑛 da el resultado. La Figura 9 muestra n capas de suelo con flujo en dirección vertical. En este caso, el flujo a través de todas las capas es el mismo.
Sin embargo, la pérdida de presión total h es igual a la suma de las pérdidas de presión en cada capa. Donde 𝑘𝑣1, 𝑘𝑣2, 𝑘𝑣3, ... son las conductividades hidráulicas de capas individuales en la dirección vertical y 𝑘𝑣(𝑒𝑞) es la conductividad hidráulica equivalente. PRUEBA DE CAMPO DE PERMEABILIDAD CON ROTORES DE BOMBEO En campo, se determinó la conductividad hidráulica promedio del suelo depositado en la dirección.
PRUEBAS DE PERMEABILIDAD EN CAMPO POR BOMBEO DE POZOS
A partir de mediciones de campo, si se conocen 𝑞, 𝑟1, 𝑟2, ℎ1 𝑦 ℎ2, entonces la conductividad hidráulica se puede calcular a partir de la relación simple presentada en la ecuación anterior. Prueba de bombeo de un pozo que penetra toda la profundidad de un acuífero confinado. La conductividad hidráulica promedio para un acuífero confinado también se puede determinar realizando una prueba de bombeo de un pozo con una carcasa perforada que penetra toda la profundidad del acuífero y a través del nivel piezométrico en una serie de pozos de observación a diferentes radios de distancia de observación (figura 11) ).
APLICACIONES DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA
- ESTUDIOS DE CONTAMINACIÓN
- EXPLORACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
- ESTABILIDAD DE TALUDES
- CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA EN LA INGENIERIA GEOTECNICA
- CARACTERIZACIÓN DE ACUÍFEROS Y ESTIMACIÓN DE LA PERMEABILIDAD
La conductividad hidráulica es un parámetro esencial en la exploración de aguas subterráneas, ya que proporciona información sobre la capacidad de los suelos y rocas del subsuelo para transmitir agua. A continuación se presentan algunos puntos que resaltan la importancia de la conductividad hidráulica en este campo, basados en información obtenida de diversas fuentes. Evaluación de la presión de poro: la conductividad hidráulica ayuda a comprender cómo el agua subterránea también afecta la presión de poro en suelos en pendiente.
Diseño de sistemas de drenaje: El conocimiento adecuado de la conductividad hidráulica permite diseñar sistemas de drenaje eficientes que ayuden a reducir la presión del agua en el talud, mejorando así su estabilidad. Drenaje de agua: la conductividad hidráulica del suelo afecta la capacidad del suelo para drenar el agua. Si la conductividad hidráulica es alta, el agua puede drenar fácilmente, lo que puede resultar útil para prevenir problemas como la erosión o la saturación del suelo.
Si la conductividad hidráulica es baja, el suelo puede retener más agua, lo que puede provocar problemas de estabilidad, asentamiento y socavación. Cimentaciones de estructuras: En ingeniería geotécnica, la conductividad hidráulica es un factor importante a considerar al diseñar cimientos para edificios, puentes y otras estructuras. Si la conductividad hidráulica del suelo es alta, se puede utilizar una base baja (como una zapata o losa), ya que el agua se escurre.
El conocimiento de la conductividad hidráulica es fundamental para el diseño y evaluación de la efectividad de estas estructuras. Una aplicación de la conductividad hidráulica que hace uso de técnicas geofísicas y sus respectivos equipos consiste en caracterizar acuíferos y estimar la permeabilidad del subsuelo. Estas relaciones empíricas son valiosas para obtener estimaciones rápidas y precisas de la conductividad hidráulica sin la necesidad de realizar pruebas de campo costosas y que requieren mucho tiempo.
La importancia de la conductividad hidráulica en la estabilidad de estructuras geotécnicas ha sido reconocida y demostrada mediante ejercicios de análisis.
