UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

ESPECIALIDAD CIVIL

CATEDRA : MECANICA DE SUELOS II

CATEDRATICO : DIONICIO MILLA SIMON

Generalidades

Cuando se altera la forma de la superficie de un líquido, de manera que el área

aumente, es preciso realizar para ello un trabajo; éste se recupera cuando la

superficie se retrae a su forma primitiva, de modo que la superficie en cuestión

resulta capaz de almacenar energía potencial.

El trabajo necesario para aumentar el área de una superficie líquida resulta ser,

experimentalmente, proporcional a dicho aumento, definiéndose como coeficiente

de tensión superficial a la relación entre ambos conceptos.

Tensión superficial

Es la propiedad de un líquido en la interfase “líquido – gas”, por la cual las

moléculas de la superficie soportan fuerzas de tensión. Por ella, una masa de agua,

acomodándose al área mínima forma gotas esféricas.

La tensión superficial explica “el rebote de una piedra” lanzada al agua. La tensión

superficial se expresa con T y se define como la fuerza en Newtons por milímetro de

longitud de superficie, que el agua es capaz de soportar.

Tensión superficial del agua

La tensión superficial del agua es de 75 dinas/cm.

Como 1 gramo son 981 dinas: 75 dinas/cm = 0,0764 gr/cm.

Este coeficiente se mide en unidades de trabajo (W) o energía entre unidades de

área A y representa la fuerza por unidad de longitud en cualquier línea sobre la

superficie. T es entonces, el trabajo W necesario para aumentar el área A de una superficie líquida.

Tensión superficial del agua

Tensión superficial del agua

TENSIÓN SUPERFICIAL

TENSIÓN SUPERFICIAL

La tensión superficial hace que la membrana

contráctil se comporte como una membrana elástica.

Este comportamiento es igual al de un globo inflado que

tiene una presión mucho mayor adentro que afuera. Si

una membrana bidimensional flexible está sujeta a presiones diferentes de cada lado, esta asume una

curvatura cóncava hacia el lado de mayor presión, y

ejercerá una tensión en la membrana hasta restablecer el

equilibrio. La diferencia de presión a través de la

superficie curva puede relacionarse a la tensión superficial y el radio de curvatura de la superficie

mediante la consideración del equilibrio en la membrana.

CAUSAS DE LA TENSIÓN

SUPERFICIAL

El fenómeno de la tensión superficial se debe a las fuerzas de cohesión moleculares que no quedan equilibradas en la inmediata vecindad de la superficie. Por esta vía se explica que una aguja horizontal o una cuchilla de afeitar en la misma posición, floten en el agua.

ÁNGULO DE CONTACTO

Es el ángulo formado entre menisco y la pared del recipiente.

Formación de meniscos

a. Angulo de contacto

vidrio-agua

α < 90° Ad >Coh

b. Angulo de contacto vidrio-mercurio α > 90°

(140°) Ad < Coh

C. Angulo de contacto

oro-agua. Α = 0

Ad = Coh

ASCENSIÓN CAPILAR

Cuando un liquido esta en contacto con las paredes de un tubo, la forma de su

superficie se encorva. Si el liquido es agua y las paredes del tubo son solidas, el

menisco es generalmente cóncavo.

Ascenso capilar en varios tubos

capilares

Una vez que el agua ha subido, la presión en M es :

Pues P2 existía y Yw*h es debida a la elevación de la columna

capilar de altura h.

Entonces la presión en M vale:

Pero cuando se alcanza el equilibrio

esa presión debe ser la atmosférica

EFECTOS CAPILARES

En el caso del contacto agua-aire, el experimento prueba que, aproximadamente:

Siendo gf, gramos-fuerza. En realidad, T varia con la temperatura del agua y no tiene valor fijo. El valor anterior

Corresponde aproximadamente a 20°C. por otra parte , en el caso de agua sobre v idrio húmedo , se v io que el Angulo de contacto α es nulo, por lo que la formula (1),puede escribirse para esas condiciones:

Distribución de esfuerzos en un tubo capilar vertical

El esfuerzo de tensión en cualquier punto de la columna esta dado por el producto de la distancia vertical del punto

A la superficie libre del liquido y el peso especifico del mismo.

Por lo tanto el esfuerzo de tensión u en el liquido, inmediatamente abajo del mecanismo es:

Donde R es el radio del menisco.

Es el fenómeno de ascensión del agua por capilares o poros del suelo.

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.

Tubos capilares formados

por los poros del suelo:

Dos fuerzas son responsables:

1. atracción del agua por superficies sólidas

(adhesión o adsorción)

2. tensión superficial del agua, que en gran parte

está debida a la atracción entre las moléculas de

agua (cohesión).

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).

http://fisica.laguia2000.com/wp-content/uploads/2012/01/Capilaridad2.jpg

Fórmula

Empírica

de Hazen

Puede ser empleada

para una estimativa

grosso modo de la

altura de la ascensión

capilar.

IMPORTANCIA

DE LA TENSION

CAPILAR

En la construcción de pavimentos de carreteras: si el terreno donde se funda un pavimento está constituido

por un suelo limoso y el nivel freático está poco profundo,

para evitar la ascensión capilar de agua es necesario substituir el material limoso por otro con menor potencial de

capilaridad.

La contracción de los suelos: Cuando toda la superficie de un suelo esta sumergida en

agua, no hay fuerza capilar, pues α = 90º. Sin embargo, a medida que el agua va siendo evaporada, se van formando

meniscos apareciendo fuerzas capilares que aproximan las

partículas.

Cohesión aparente de arenas húmedas: Si la arena fuese seca o saturada, la cohesión se deshace.

Los meniscos se deshacen cuando el movimiento entre los granos aumenta y las deformaciones son muy grandes

LA CAPILARIDAD EN SUELOS

Fenómeno debido a la tensión superficial,

en virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro y por entre

láminas muy próximas. Pero no siempre ocurre así debido a que la atracción entre moléculas iguales (cohesión) y moléculas

diferentes (adhesión) son fuerzas que dependen de las sustancias

Capilaridad. Fuerzas de adhesión y cohesión

La cohesión es la atracción entre las moléculas de

una misma sustancia, mientras que la adhesión es la atracción entre moléculas de diferentes sustancias. Si

se sumerge un tubo capilar de vidrio en un recipiente con agua, el líquido asciende dentro de él hasta una altura determinada. Si se introduce un segundo tubo

de mayor diámetro interior el agua sube menor altura.

¿Que relación tiene la capilaridad con la tensión superficial?

Por ejemplo debido a la acción de la tensión superficial

del líquido sobre la superficie del sólido. Este fenómeno es una excepción a la ley hidrostática de los vasos

comunicantes, según la cual una masa de líquido tiene el mismo nivel en todos los puntos; el efecto se produce de forma más marcada en tubos capilares, es decir, tubos

de diámetro muy pequeño.

¿Que relación tiene la capilaridad con la tensión superficial?

La capilaridad, o acción capilar, depende de las fuerzas

creadas por la tensión superficial y por el mojado de las paredes del tubo. Si las fuerzas de adhesión del líquido al

sólido (mojado) superan a las fuerzas de cohesión dentro del líquido (tensión superficial), la superficie del líquido será cóncava y el líquido subirá por el tubo, es decir,

ascenderá por encima del nivel hidrostático.

CAPILARIDAD EN SUELOS

ARCILLOSOS

Dos fuerzas: Adsorción entre las partículas activas del suelo y el agua y fuerzas osmótica, propia de la fase líquida y explicada por concentración de iones, explican la capilaridad de las arcillas. En la adsorción influyen la adherencia y la tensión superficial.

PERMEABILIDAD

PERMITE EL PASO DE LOS FLUIDOS A TRAVÉS DE SUS POROS

SIN ALTERAR SU ESTRUCTURA INTERNA

DEFINICION

NO TODOS SON SUELOS SON PERMEABLES

SUELOS PERMEABLES

SUELOS IMPERMEABLES

INGENIERO FRANCÉS DARCY

EL GRADO DE PERMEABILIDAD DEL SUELO

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

Existen dos tipos de mediciones:

NIVEL CONSTANTE: se introduce un caudal conocido para

mantener el mismo nivel dentro de la perforación. Al estabilizar el proceso, con ese caudal conocido y la longitud

y diámetro de la perforación, se calcula la permeabilidad.

NIVEL VARIABLE: se introduce o se extrae un volumen de

agua en un sondeo de diámetro pequeño (entre 5 y 10 cm) en forma súbita, esto provoca un descenso o ascenso

instantáneo del nivel de agua lo que permite medir las diferencias de nivel/tiempo a medida que va recuperando el nivel original

Ensayo Lefranc bajo carga constante

Ensayo

Lefranc bajo carga variable

Esquema del sistema utilizado

para la medida de la

permeabilidad “in situ”

mediante el ensayo Lugeon

PERMEABILIDAD O COEFICIENTE DE

CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA

k = Q / I A Donde:

k: coeficiente de permeabilidad o conductividad

hidráulica [m/s]

Q: caudal [m3/s]

I: gradiente [m/m] A: sección [m2)]

Factores que influyen en el valor de permeabilidad del suelo

2. Temperatura del agua

3. Estructura y estratificación

6. Aire encerrado y materiales extraños en los vacíos

Aún cuando el termino coeficiente de permeabilidad en el sentido estricto de la palabra se refiere a la condición de suelos saturados, los suelos en su condición natural contienen pequeñas cantidades de gas encerrado u ocluido.

El gas encerrado, aún cuando sea en pequeñas cantidades tiene un efecto marcado en el coeficiente de permeabilidad. Por consiguiente para obtener una información correcta, e debe estar seguro de que el contenido de gas en la muestra, es igual al contenido en el estado natural del suelo o al contenido que se espera que el suelo tenga en un futuro cercano.

A efectos únicamente indicativos, según Las normas

DB SE-C propone los siguientes rangos de variación para la permeabilidad en función del tipo de terreno (tabla D28):

kz: coeficiente de permeabilidad vertical (se asume que la anisotropía de los suelos, especialmente de las arcillas

estratificadas, puede comportar variaciones significativas en la magnitud del coeficiente de permeabilidad medido en el

plano horizontal.)