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FILTRACIONES DE FLUJO
1) INTRODUCCIN:
1-1) Caractersticas de la masa de suelo:
El suelo es un sistema disperso, heterogneo, trifsico y poroso.
La naturaleza dispersa del suelo y suconsecuente actividad
interfacial, da origen a fenmenos tales como la adsorcin del agua,
el intercambio
inico, la adhesin, la contraccin dilatacin, la dispersin y
floculacin y la capilaridad.
Las tres fases que representan al suelo se muestran en la
Fig.1.1 y se pueden
Clasificar en
Los constituyentes de la fase slida o matriz. La fase l!quida o
agua, en la cual estn disueltos substancias y que se denomina
com"nmente
solucin del suelo. La fase gaseosa o atmsfera.
La matriz incluye part!culas, las cuales var!an en su composicin
qu!mica y mineralgica, as! como, en
tama#o, forma y comportamiento. $sta tambin contiene substancias
amorfas, particularmente materia
orgnica, la cual est asociada a part!culas minerales y que
frecuentemente se unen entre s! para formaragregados. La
organizacin de los componentes slidos determinan las
caracter!sticas geomtricas de los
espacios porosos en los cuales el agua y el aire son trasmitidos
y retenidos. El agua y el aire var!an ambos en
composicin en el tiempo y en el espacio y las proporciones
relativas de las tres fases var!an continuamente,
y dependen sobre todo, de variables tales como el clima, la
vegetacin y el mane%o de dicho suelo.
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&'() *spectos geotcnicos del movimiento del agua en el
suelo
El agua presente en un estrato puede clasificarse en tres
categor!as, dependiendo de su movilidad dentro del
suelo. En primer lugar esta la llamada agua adsorbida, ligada a
las part!culas del suelo por fuerzas de origen
elctrico, que no se mueve en el interior de la masa porosa y por
lo tanto no participa en el flu%o.
En segundo lugar se encuentra el agua capilar, cuyo flu%o
representa gran importancia en algunos casos, tales
como el humedecimiento de un pavimento por flu%o ascendente y
otras analog!as pertinentes. +in embargo,
en la mayor!a de los problemas de filtracin de agua, el efecto
del flu%o en la zona capilar es peque#o y suele
despreciarse en atencin a las complicaciones que plantear!a al
ser tomada en cuenta tericamente su
influencia. En tercer y "ltimo lugar, eiste en el suelo la
llamada agua libre o gravitacional que, ba%o el efecto
de la gravedad terrestre, puede moverse en el interior de la
masa sin otro obstculo que el que le impone su
viscosidad y la trama estructural del suelo. En la teor!a del
flu%o se trataeclusivamente del agua libre o gravitacional. En la
masa de suelo, esta "ltima esta separada del agua capilar
por una superficie a la que se denomina Nivel Fretico. En
condiciones estticas del agua de un cierto suelo,
el nivel fretico ser!a una superficie horizontal- sin embargo,
si se admite la posibilidad de que el agua fluya
dentro del suelo, ya no hay razn para que el nivel fretico siga
siendo horizontal y de hecho, naturalmente,
no lo es. En muchos problemas geotcnicos, el movimiento del agua
que llena los poros
y diaclasas del terreno, tiene una influencia esencial. ero,
esta influencia tiene tres
aspectos distintos. El primero se refiere al caudal de agua que
circula, por e%emplo si se trata de un embalse,
importa saber la cantidad de agua que se perder a travs de la
presa y del terreno. +i se trata de obtener unrecinto seco en un
cauce de agua /por e%emplo
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El gasto o caudal de filtracin a travs de la zona en estudio /la
cantidad o volumen de agua que filtra por
unidad de tiempo hacia una ecavacin abierta para la construccin
de una obra, como as! tambin la
cantidad de agua embalsada que se perder por filtracin a travs
de un dique).
Laspresiones dentro de la masa de suelo y sobre las
estructuras.
Las sobrepresiones de filtracin.
La influencia del flu%o de agua sobre la estabilidad general de
la masa de suelo a travs de la
cual filtra.
Las posibilidades del agua de infiltracin de producir arrastres
de material
slido, erosiones, tubificacin, etc.
El agua se almacena a una altura determinada aguas arriba, la
diferencia de
nivel del agua entre los lados de la presa crea una filtracin a
travs de la cimentacindesde el lado aguas arriba hasta el lado
aguas aba%o.
Cuando el flu%o comienza, la presin intersticial en el suelo
pasa de valores iniciales a valores finales que
deben ser compatibles con las nuevas condiciones hidrulicas de
borde y, adems, con los cambios de
volumen que se producen en la masa de suelo. 0urante este
per!odo el flu%o var!a en funcin del tiempo y
de%a de ser permanente, lo cual hace muy dif!cil su estudio.
Cuando la presin intersticial en toda la masa de
suelo se equilibra con las nuevas condiciones de borde, el flu%o
se vuelve independiente del tiempo y en ese
caso se tiene un flu%o permanente o estacionario. La velocidad a
la cual la presin intersticial se a%usta a los
nuevos valores de equilibrio, durante el flu%o transitorio,
depende del tipo de suelo. Las arenas y las gravaspermiten un flu%o
rpido de agua y la presin intersticial es capaz de equilibrarse
rpidamente. uede
suponerse, por lo tanto, que luego de cualquier cambio en las
condiciones hidrulicas de borde, el flu%o
estacionario para estos suelos se establece de manera
instantnea. or el contrario, el flu%o estacionario en
las arcillas es lento, puede demorar varios a#os en establecerse
y el per!odo de flu%o transitorio tiene una
particular importancia, principalmente, en el estudio de la
consolidacin y epansin en estos suelos.
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2) REDES DE FITR!CION:
2-") Co#ce$tos %e#erales:El empleo de la representacin grfica
para el flu%o que traspasa el suelo se lleva a cabo a travs de lo
que se
denomina como red de flujo o red de corriente. 0e la red de
flu%o se puede obtener informacin relativa a los
problemas planteados. El camino seguido por una part!cula de
agua en su recorrido de escurrimiento o
filtracin a lo largo de una masa de suelo saturado es llamado
lnea de flujo o de corriente. 1n e%emplo de las
l!neas de flu%o son las l!neas curvas, suaves y slidas, que
pasan por deba%o del muro de contencin
construido con una pantalla de tablestacas como el que se
muestra en la Fig.2.1.
('2) Ecuaciones hidrodinmicas que rigen el flu%o de agua a travs
de los suelos
La deduccin de la epresin matemtica de la red de flu%o esta
basada en una serie de hiptesis que
implican la aceptacin de la ecuacin de continuidad +uelo y agua
son incompresibles en s! mismos
/significa que el volumen de vac!os es constante). El flu%o no
modifica la estructura del suelo de ninguna
forma3gimen permanente y flu%o estacionario.
El suelo esta saturado.
4lu%o laminar, con ba%as velocidad de filtracin.
Es vlida la ley de 0arcy.El coeficiente de permeabilidad es
constante en todos los puntos /kv es
igual a kh, lo cual supone que no hay anisotrop!a).
+e considera una regin de flu%o /un elemento de suelo a travs
del que fluyeagua), de la que forma parte un
elemento paralelep!pedo de dimensiones diferenciales /dx, dy y
d), tal como se muestra en la Fig.2.2
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+e supone que la velocidad v con que el agua pasa por el
elemento posee tres componentes vx! vy! v, y que
stas son slo funcin de x, y, , pero no del tiempo /puesto que
por hiptesis se trata de un rgimen
estacionario) y dichas componentes son funciones continuas que
admiten cualquier orden de derivacinnecesario al razonamiento
epuesto. En estas condiciones, si en las caras " de la Fig. 2.2,
las componentes
de velocidad del agua son vx! vy! v- en las caras "" estas
mismas.
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