Aplicaciones del Esfuerzo Efectivo a Propósitos Ingenieríles.

El concepto del esfuerzo efectivo influye en gran parte en el comportamiento del suelo, de ahí es que la aplicación de estos criterios en las obras civiles es de gran importancia. El uso más común se presenta en el diseño de presas, terraplenes, diques, ataguías, o estructuras similares de retención de agua, además de obras que requieran excavaciones del terreno. En este tipo de obras es muy frecuente que se presenten infiltraciones que pongan en riesgo la estabilidad y vida útil de la estructura. Esta inestabilidad es debida a la infiltración del agua y se la conoce con el nombre de flotación. Cuando el esfuerzo efectivo es cero, la fuerza ascendente de escurrimiento es igual al peso sumergido del suelo y no puede desarrollarse una resistencia a la fricción entre partículas y por lo tanto la mezcla suelo y agua no tiene resistencia al corte y actúa como líquido. La falla por flotación o levante puede conducir a una falla total de la cimentación o incluso al derrumbe de una estructura de retención de agua, como el pie del talud de una presa o parte de una ataguía. Por lo tanto es necesario analizar esta inestabilidad al diseñar estructuras de retención de agua.

Existen varios métodos para disminuir la fuerza de escurrimiento ascendente causante de la flotación, los más comunes son el uso de filtros en las zonas más susceptibles y el aumentar la longitud del trayecto del flujo.

Al aumentar la longitud de trayecto del flujo se logra reducir la cantidad de infiltración, esto se puede lograr aumentando la profundidad del hincando de tablestacas, o alargando la base impermeable de la estructura de retención de agua.

Los filtros tienen como principal objetivo evitar las infiltraciones, reducir la presión de levante o empuje que se produce aguas abajo de la estructura de retención de agua, además de impedir el arrastre de partículas de un suelo a otro. Si es que hay arrastre de partículas se produce la erosión del suelo, que provocaría problemas de estabilidad en la estructura del suelo.

La presión de levante esta ligado directamente al esfuerzo efectivo, ya que esta fuerza de levante es provocada por un flujo de agua ascendente en el lado aguas abajo de la estructura de retención de agua. Esta fuerza de escurrimiento ascendente cuanto mayor sea producirá un mayor gradiente hidráulico, que como ya se analizo, provoca que el esfuerzo efectivo sea cada vez menor, lo que ocasiona la falta de estabilidad en la cimentación, llegando a producir posteriormente la falla en la estructura de retención.

Pruebas en Barrenaciones.

Se denomina barrenación a una perforación de diámetro pequeño y de profundidad variable en el suelo. Para esto se emplean piezas giratorias, de percusión o de uso manual llamados barrenadores que perforan el suelo.

El U.S. Bureau of Reclamation (1974), ha ideado métodos con objeto de obtener la conductividad hidráulica en campo con el uso de una barrenación. Se cree generalmente que estos métodos dan los resultados más precisos, siempre y cuando predomine la experiencia del operador y su personal.

 

Figura 4.33. Ensayo del extremo inferior abierto (Das, 1999).

(a) Nivel freático interceptado. (b) Nivel freático no interceptado.

Estas pruebas implican realizar una perforación utilizando un barreno, luego instalar un tubo con un sistema a fin de ingresar un flujo constante de agua a presión en el agujero y luego medir la altura de presión para determinar la conductividad hidráulica mediante una ecuación empírica. Es importante conocer la profundidad del nivel freático y del acuífero que está en estudio.

Para el caso de acuíferos confinados como se muestra en la Figura 4.33, se emplea un método denominado: ensayo del extremo inferior abierto. Este método consiste en realizar una perforación para ubicar el acuífero, esta no ha de ser muy profunda, debe perforarse hasta ingresar en el acuífero una distancia de diez veces el radio de la perforación. Una vez terminada la perforación, se inserta un tubo con un sistema de tal manera que el extremo inferior quede abierto, mientras que el extremo superior esta cerrado mediante un sello, donde se instala un tubo que está conectado a una bomba (M) y un manómetro. Una vez instalado el tubo, se procede a llenar de agua el agujero a una tasa constante de flujo, el agua progresivamente se irá escurriendo por la parte inferior del tubo, mientras que en la parte superior se debe suministrarse suficiente agua hasta conseguir que el nivel de agua permanezca constante, cuando se logra estabilizar este nivel de agua se determina la altura de presión (h_p) con la lectura del manómetro. La altura total de carga del sistema será:

h = h_z + h_p

Para determinar la altura potencial (h_z) es importante conocer la ubicación del nivel freático, es decir verificar si la perforación intercepto o no al nivel freático. La Figura 4.33 muestra el valor de esta altura según a la posición del nivel freático. La conductividad hidráulica es:

                                                                          [4.34]

Donde:

k = Conductividad hidráulica.

q = Tasa constante de abastecimiento de agua al agujero.

r  = Radio interno del tubo.

h = Altura total de carga del sistema.

Para el caso de un acuífero no confinado como se muestra en la Figura 4.34, se emplea un método denominado: ensayo de la empaquetadura. En este método, se introduce parcialmente el tubo al agujero perforado, dejando una distancia L entre el extremo inferior del tubo y el fondo. El extremo inferior del tubo está sellado herméticamente con una empaquetadura donde está instalada una tubería que está conectada a una bomba y un manómetro. El ensayo consiste en introducir agua a presión al suelo, controlada por una válvula de tal manera que se suministre suficiente cantidad de agua para mantener una presión constante. Una vez que se logra estabilizar la presión del agua, se determina la altura de presión (h_p) de la lectura del manómetro. La altura total de carga del sistema será:

h = h_z + h_p

La Figura 4.34 muestra el valor de esta altura potencial (h_z) según a la posición del nivel freático en la perforación. La conductividad hidráulica está en función a la distancia L, esta será:

 

Donde:

k = Conductividad hidráulica.

q = Tasa constante de abastecimiento de agua al agujero.

L = Distancia entre el extremo inferior el fondo de la perforación.

r  = Radio de la perforación.

h = Altura total de carga del sistema.

Prueba de Bombeo en Estado Estacionario.

La prueba de bombeo en estado estacionario implica la perforación de un pozo y el bombeo del agua de este. La Figura 4.32, muestra que el objetivo de la perforación es interceptar un acuífero donde el nivel freático del perfil de suelo se abatirá igualándose al nivel de agua del pozo. Al iniciar el bombeo, la cantidad de agua que se demanda inicialmente es adsorbida del acuífero, si se sigue con el bombeo el radio de influencia crecerá hasta encontrar un equilibrio entre el bombeo y la recarga del acuífero, generalmente el acuífero buscará fuentes de recarga como la de ríos, lagos o otras fuentes de recarga cercanas que estarán dentro del radio de influencia de tal manera que se satisfaga la demanda de la taza de bombeo.

 

Figura 4.32. Abatimiento del nivel freático (U.S. Army Corps, 1986 ).

En algunos casos existe una recarga vertical proveniente de la precipitación pluvial encima del área de influencia, lo suficientemente grande que pueda cubrir esa demanda.

Si el pozo es bombeado a una tasa constante hasta que la descarga se estabilice, la conductividad hidráulica del acuífero puede ser calculada a partir de formulas de equilibrio que están en función a la posición del nivel freático. Para conocer la forma del abatimiento del nivel freático, por lo generalmente se perforan pozos de menor diámetro adyacentes al pozo principal, llamados pozos de observación.

Sin embargo, dependiendo al tipo de acuífero y a las condiciones reinantes se pueden realizar perforaciones que atraviesen todo el acuífero o perforaciones parciales en él. Dependiendo al caso el caudal de bombeo variará, por lo que debe tenerse cuidado en cuanto a este detalle al determinar la conductividad hidráulica mediante un pozo de bombeo.

Ensayos en Campo para Determinar la Conductividad Hidráulica.

Al extraer una muestra de suelo en campo y transportarla al laboratorio, esta puede sufrir alteraciones en su estructura (índice de vacíos) o simplemente debido a que es pequeña no puede representar a todo el volumen del suelo en estudio. Debido a estos factores los ensayos en laboratorio no siempre son infalibles, en el sentido de proporcionar resultados reales de la conductividad hidráulica del suelo, la experiencia y buen juicio del operador hará que se interpreten correctamente los resultados. En el caso de las ecuaciones y métodos empíricos estos ofrecen una aproximación importante de la conductividad hidráulica. Sin embargo, estos métodos suelen presentar deficiencias para algunas características particulares de algunos suelos. Para disponer de valores precisos y reales de la conductividad hidráulica se recurren a los ensayos en campo. A diferencia de los ensayos en laboratorio, las ecuaciones y métodos empíricos, estos se realizan en el mismo sitio de estudio con las condiciones reales de la zona. Algunos de los métodos desarrollados para este fin son las:

Prueba de Bombeo en Estado Estacionario.
Pruebas en Barrenaciones.

Es importante evaluar la importancia que tiene el dato de la conductividad hidráulica en el proyecto, pues generalmente las pruebas de bombeo estacionarias y las pruebas en barrenaciones consisten en perforaciones hechas en el suelo las cuales suelen demorar tiempo, requiere que el operador y el personal tengan experiencia y por supuesto son costosas.

Generalmente, las perforaciones se realizan con taladros de percusión y de rotación. En la perforación percusiva la barrena tiene la forma de un cincel que golpea contra la roca hasta formar un agujero, donde la roca triturada forma material fino que pueden ser extraídos mediante la circulación de un fluido a presión. En la perforación rotaria el suelo se corta o tritura por cuchillas o puntas las cuales se hacen girar gravitando sobre ellas una carga. Durante las perforaciones se utiliza bentonita para impermeabilizar y estabilizar las paredes del pozo. (Blyth & de Freitas, 1989)

Ensayo de Carga Constante: Método para Determinar la Conductividad Hidráulica.

El ensayo de carga variable, es otro método para determinar la conductividad hidráulica de un suelo en laboratorio, este permeámetro que se muestra en la Figura 4.23 generalmente es usado para suelos de grano fino como ser arenas finas, limos y arcillas.

En estos suelos, el flujo de agua que circula a través de estos es demasiado lento como para poder hacer mediciones precisas con el permeámetro de carga constante, por lo que el permeámetro de carga variable puede medir conductividades hidráulicas comprendidas entre 10-4 < k < 10-7 m/s.

En un cilindro de unos 100 mm de diámetro se introduce la muestra representativa de suelo, donde los extremos superior e inferior están protegidos por una piedra porosa. Al igual que en el ensayo de carga constante, es importante que la muestra de suelo este completamente saturada, para lo cual se sigue un procedimiento similar de saturación al anteriormente descrito.

La muestra confinada en el cilindro, se la introduce en un reservorio anegado de agua que cuenta con un vertedor de nivel constante. Luego, se conecta un tubo de carga en el extremo superior del cilindro que contiene la muestra de suelo. La prueba se lleva a cabo llenando el tubo de carga con agua, permitiendo así que el agua desairada pase a través de la muestra de suelo por un tiempo (t). Se registra el nivel de la columna de agua en el tubo de carga al empezar y al finalizar el ensayo. Luego de registrar estos datos, se repite el ensayo con un diámetro diferente del tubo de carga. Por lo general se utilizan tres diámetros diferentes del tubo de carga, la conductividad hidráulica real será la media aritmética de las conductividades correspondientes a los diferentes diámetros del tubo. Por lo general se reportan también los pesos unitarios inicial y final y el contenido de humedad de la muestra.

En algunos casos puede darse la posibilidad de no disponerse de tubos de diámetro variado, en ese caso lo que se hace es hacer variar la altura inicial de la columna de agua en el tubo ha elevaciones diferentes. Sin embargo deben efectuarse algunas correcciones. En la Figura 4.24, se muestra el permeámetro de carga variable de forma simplificada.

Según la ley de Darcy, el caudal que circula por el sistema será:

q = k·i·A

 

Para un tiempo t, el agua del tubo de carga desciende de un nivel h1 hasta un nivel h2. Puede decirse entonces que una taza de flujo q entre los niveles h1 y h2 circula por el sistema, hasta rebalsar en el reservorio inferior. Por lo tanto si el nivel en la columna se reduce un dh en un tiempo dt entonces se tendrá que:

 

Donde:

q = Caudal de agua que circula a través del sistema.

a = Área de a sección transversal del tubo de la columna de agua.

El signo negativo indica la dirección del flujo de agua respecto al sistema de coordenadas asumido, por continuidad se sabe que la cantidad total de agua que circula por el sistema será igual a la cantidad que circulara progresivamente en un tipo dado, por lo tanto:

Figura 4.24. Simplificación del permeámetro de carga variable (Das, 1998).

El gradiente hidráulico (i) del sistema, se expresa como:

Donde:

k = Conductividad hidráulica.

L = Longitud de la muestra.

a = Área de la sección transversal del tubo.

h1 = Nivel inicial del agua en el tubo al empezar el ensayo.

h2 = Nivel final del agua en el tubo al finalizar el ensayo.

A = Área de la sección transversal de la muestra de suelo.

t1 = Tiempo al iniciar el ensayo, cuando el nivel de agua en el tubo esta en h1.

t2 = Tiempo al finalizar el ensayo, cuando el nivel de agua en el tubo esta en h2.

En el caso de disponerse de un solo tubo de carga, la cantidad de agua que pasa por la muestra (V) será el área del tubo multiplicada por la diferencia de los niveles de agua, que será: V = a·(h1 – h2). El área del tubo de carga (a), expresado en función al volumen será:

 

Donde la cantidad de agua que pasa por la muestra (V), será el agua recolectada por el cilindro graduado durante el ensayo.

Con las ecuaciones [4.21] y [4.23], se determina la conductividad hidráulica del suelo con los resultados del permeámetro de carga variable. Luego, se debe realizar una corrección por temperatura. Aunque el ensayo de carga constante es principalmente aplicado a suelos finos, también proporciona resultados aceptables en cualquier tipo de suelo.

Ensayo de Carga Constante: Método para Determinar la Conductividad Hidráulica

El ensayo de carga constante es un método para determinar la conductividad hidráulica de un suelo en laboratorio, capaz de medir valores hasta de: k > 10-4 m/s. El aparato usado que se muestra en la Figura 4.21, recibe el nombre de permeámetro de carga constante y generalmente es usado para suelos de grano grueso como ser gravas y arenas.

 

Figura 4.21. Permeámetro de carga constante (Coduto, 1999).

La muestra de suelo se introduce en un cilindro de plástico transparente, con filtros de piedra porosa por encima y por debajo de ella. En la parte lateral del cilindro están instalados varios piezómetros a lo largo de la muestra, para medir la altura de presión en diversos puntos. El flujo de agua que pasa a través de la muestra de suelo proviene del reservorio superior, que está diseñado para mantener una carga constante de agua. Finalmente en un lapso de tiempo, el agua que rebalsa del reservorio inferior es recolectada en un cilindro graduado.

Es importante que la muestra de suelo esté completamente saturada de agua, lo que garantiza un flujo de agua, además que la presencia de burbujas de aire afectan considerablemente los resultados. Para saturar completamente la muestra de suelo, primero se debe suministrar un flujo constante de agua desairada (destilada) al reservorio superior, luego se abren las dos válvulas y se deja circular el agua controlando la velocidad del flujo con las válvulas. Cuando los niveles de agua en los piezómetros se mantengan constantes, se dirá que el suelo está completamente saturado. El ensayo consiste en hacer correr un flujo de agua controlado (por las válvulas) por un tiempo (t), donde se registran las alturas piezométricas de la muestra y el volumen de agua recolectada por el recipiente o cilindro graduado. Registrados todos estos valores, se modifica la taza de flujo q (con las válvulas) y se repite el mismo procedimiento, generalmente se realizan tres ensayos donde se obtienen tres conductividades hidráulicas similares. En la Figura 4.22 se ha simplificado el permeámetro de carga constante de manera que puede observarse la esencia del proceso y determinar la conductividad hidráulica.

Figura 4.22. Simplificación del permeámetro de carga constante (Das, 1998).

La conductividad hidráulica real será la media aritmética de todas estas. Según la ley de Darcy, el caudal que circula por el sistema será:

q = k·i·A

En base ha está expresión, la cantidad de agua recolectada V por el cilindro graduado en un tiempo dado (t) será:

V = k·i·A·t

El gradiente hidráulico (i) del sistema, es determinado con el dato de la longitud de la muestra (L) y la diferencia de alturas piezométricas (h), este gradiente será:

Despejando la conductividad hidráulica de esta última ecuación se tendrá que:

                                                4.20

Donde:

k = Conductividad hidráulica.

L = Longitud de la muestra.

Delta h = Pérdida de carga.

V = Volumen de agua recolectada por el cilindro graduado durante el ensayo.

A = Área de la sección transversal del suelo.

t = Tiempo de duración el ensayo.

Con la ecuación [4.20] se determina la conductividad hidráulica de un suelo con el permeámetro de carga constante. Luego debe hacerse una corrección por temperatura.

Ensayos en Laboratorio para Determinar la Conductividad Hidráulica.

Determinar la conductividad hidráulica mediante ensayos en laboratorio es la forma más común, práctica y confiable, donde se sigue la premisa que todo ensayo en laboratorio reproduzca las mismas condiciones de campo. Para lo cual, se extraen apropiadamente muestras de suelo de tal manera que los resultados obtenidos en laboratorio sean representativos del tipo de suelo que se tiene en campo. Según al tamaño de las partículas del suelo, se han ideado dos permeámetros que se utilizan para determinar la conductividad hidráulica.

Ensayo de Carga Constante: Método para Determinar la Conductividad Hidráulica.

Ensayo de Carga Constante: Método para Determinar la Conductividad Hidráulica