Introducción a los suelos no saturados. (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: Ernesto Strina:

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1 Introducción a los suelos no saturados (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: asfriso@fi.uba.ar Ernesto Strina: estrina@fi.uba.ar

2 Índice Fases del suelo no saturado Presiones totales, netas y succión Flujo de agua en zona no saturada Cambio de volumen 2

3 Grados de saturación y comportamiento de las fases Un suelo puede estar seco, parcialmente saturado o saturado Si está parcialmente saturado, tiene tres fases: partículas, agua y aire En función del grado de saturación < 40% El agua no tiene continuidad < 80% El aire tiene continuidad > 90% El aire está en forma de burbujas 3

4 Fase gaseosa La fase gaseosa es una mezcla de gases y vapor de agua Comportamiento de gas ideal (Ley de Boyle) = Ley de Dalton (suma de presiones parciales de gases en una mezcla): el comportamiento de un gas en la mezcla es independiente de los otros gases 4

5 Fase gaseosa: vapor de agua Presión de saturación de vapor Presión parcial de vapor Humedad relativa = Si = (RH = 100%) la tasas de condensación y evaporación son iguales A una temperatura dada, el vapor en el aire puede estar Insaturado: < Saturado: = Sobresaturado: > 5

6 Fase gaseosa: vapor de agua 6

7 Interfaz agua-aire La interfaz agua-aire se comporta como una membrana con resistencia a la tracción 7 BBC News In pictures Visions of Science.jpg Insectos que viven sobre y bajo la interfaz (Milne and Milnc, 1978)

8 Interfaz agua-aire La interfaz agua-aire se comporta como una membrana con resistencia a la tracción En un conducto pequeño el agua moja las paredes y la membrana se curva Se produce una diferencia de presión: ascenso capilar 8 (Wikipedia)

9 Equilibrio de una columna capilar En el contacto agua-aire-sólido hay tres fuerzas Tensión sólido-líquido Tensión sólido-gas Tensión líquido-gas El ángulo del contacto surge del equilibrio de esas tres fuerzas cos = θ 9

10 Equilibrio de una columna capilar El equilibrio de la columna capilar es Peso columna de agua = h Fuerza de tensión superficial (Columna de vidrio comprimida) = 2 cos( ) Por equilibrio = h = ( ) 10

11 Tensión superficial y ángulo de contacto CO 2 gas CO 2 liquido (Santamarina 2012)

12 Tensión superficial y ángulo de contacto 12 Interfacial tension s [mn/m] CO 2 L-V boundary at 295 K at 298 K Gaseous CO 2 Liquid CO 2 H 2 O-CO Pressure [MPa] (Santamarina 2012)

13 Índice Fases del suelo no saturado Presiones totales, netas y succión Flujo de agua en zona no saturada Cambio de volumen 13

14 Las tensiones capilares son tensiones efectivas La fuerza que comprime la columna de vidrio comprime también a los suelos 14 (Santamarina 2012)

15 La definición de tensión efectiva en un suelo no saturado El equilibrio implica La tensión en la fase sólida es entonces Esta expresión anda (mas o menos) bien para > 70% = + + = + = 1 + = + Σ 15

16 Resultados experimentales = + ( ) 16 (Gens 2005)

17 Tensores de tensiones para suelos no saturados El estado del material queda definido por dos tensores independientes: tensión neta ( ) y succión ( ) = + = u = 17 =

18 Tensores de tensiones para suelos no saturados El estado del material queda definido por dos tensores independientes: tensión neta ( ) y succión ( ) Se debe cumplir > > Si > la muestra explota Si = el suelo está saturado, se recupera la definición de presión efectiva ( = + ) 18 =

19 (Re)definiciones En los suelos no saturados se emplea la humedad volumétrica (cociente de volúmenes en vez de cociente de pesos) = 100 = 1 + = 1 + El concepto de presión de poros negativa se extiende a la zona de no saturación: succión 19

20 La succión en un depósito no saturado Fuente permanente: ascenso capilar Fuentes variables: evapotranspiración 20

21 Succión (definición académica) La succión es físicamente una medida del estado de energía libre del agua Existe una relación termodinámica entre la energía libre del agua y la presión parcial de vapor (Richards, 1965) = ln = / ln 21 La succión total es la suma de dos términos Succión osmótica Succión mátrica ( )

22 Succión osmótica La succión osmótica es producida por cationes atraídos por la superficie negativa de las partículas Depende fundamentalmente del tipo y concentración de sales disueltas en el agua poral Varía poco con el contenido de humedad Existe aún para suelos saturados 22

23 Succión mátrica ( ) Es la extensión conceptual de la presión capilar Producida por los meniscos aire-agua Depende del tamaño de los vacíos y del contenido de humedad (gravimétrica) La presión parcial de vapor sobre la superficie curva es menor que sobre la superficie plana La curvatura es proporcional a ( ) La humedad relativa se correlaciona con ( ) 23

24 Succión total = ( ) + La succión total es la suma de ambos componentes Medición directa Humedad relativa Medición indirecta Humedad Temperatura Conductividad térmica Conductividad eléctrica 24

25 Medición experimental de la succión y rangos de medición 25 Succión total Succión mátrica Directa Psicrómetro ( kpa) Tensiómetro (0 90 kpa) Traslación de ejes ( kpa) Indirecta Papel de filtro (todo el rango) Conductividad térmica (0 400 kpa) Succión osmótica - Extrusión (todo el rango)

26 Psicrómetro (efecto Peltier) 26

27 Papel de filtro La humedad del papel de filtro (calibrado) es proporcional a la succión 27

28 Tensiómetro Mide la presión de agua negativa Se debe corregir debido a peso de columna de agua en el dispositivo 28

29 Técnica de traslación de ejes 29

30 Índice Fases del suelo no saturado Presiones totales, netas y succión Flujo de agua en zona no saturada Cambio de volumen 30

31 Transporte de fluidos en suelos no saturados Existen varias especies y fases Especie agua, fase líquida y vapor Especie aire, fase disuelta y gaseosa El transporte de agua y aire tiene componentes Disfusivas: controladas por el gradiente de concentración Convectivas: controladas por la velocidad del flujo 31

32 Presión positiva y negativa 32

33 Curva característica Durante el proceso de secado aumenta la succión 33

34 Curva característica Durante el proceso de secado aumenta la succión Se mide una succión que inicia la desaturación 34

35 Curva característica Durante el proceso de secado aumenta la succión Se mide una succión que inicia la desaturación A medida que aumenta la succión se reduce S r hasta un valor residual S res 35

36 Curva característica Durante el proceso de secado aumenta la succión Se mide una succión que inicia la desaturación A medida que aumenta la succión se reduce S r hasta un valor residual S res Grado de saturación efectivo = 1 36

37 Flujo de agua fase líquida (y de aire disuelto) El agua fluye líquida cuando hay canales continuos El agua en fase líquida arrastra aire disuelto 37

38 Coeficientes de permeabilidad La permeabilidad depende de S e = =

39 Histéresis de la curva característica La no uniformidad de la distribución de poros provoca que siempre queda algo de aire y agua en los procesos de imbibición y drenaje 39

40 Histéresis de la curva característica La no uniformidad de la distribución de poros provoca que siempre queda algo de aire y agua en los procesos de imbibición y drenaje 40

41 Flujo en aire Fase gaseosa Se estable flujo de aire para < 80% Depende del gradiente de presión de aire Fase disuelta Componente difusiva: Ley de Fick = = = 1 Componente advectiva: transportado por el flujo de agua 41

42 Factores que afectan la succión in situ Climas con temporadas húmedas y secas generan variaciones estacionales de la succión Si el suelo está cubierto, las variaciones de la succión son menores Napas profundas generan mayores valores de succión Vegetación aumenta el valor de la succión 42

43 Índice Fases del suelo no saturado Presiones totales, netas y succión Flujo de agua en zona no saturada Cambio de volumen 43

44 Cambio de volumen y succión 44

45 Cambio de volumen y succión (log) 45

46 Cambio de volumen y succión (log) Indice de compresión x presiones netas C t Indice de compresión x succión C m Indice de contenido de agua x presiones netas D t Indice de contenido de agua x succión D m = log = log = log = log 46

47 Cambio de volumen - Histéresis Las superficies y los índices son distintos según se trate de secado o humedecimiento 47

48 Cambio de volumen en enrocados 48 (Oldecop y Alonso 2003)

49 Bibliografía Básica Fredlund. Soil Mechanics for Unsaturated Soils. Wiley Complementaria Terzaghi, Peck y Mesri. Soil Mechanics in Engineering Practice. 3ª Ed. Wiley Mitchell. Fundamentals of Soil Behavior. 3ª Ed. Wiley 49