20- G8_01_UPN_MS_CAPILARIDAD

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PROPIEDADES
HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS
Docente: Ing. Neicer Campos Vásquez
PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
Logro
Conocer las principales propiedades de un suelo en relación con el agua 
así como la introducción al capítulo de permeabilidad.
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
Capilaridad
El proceso de capilaridad es el ascenso que tiene el agua
cuando se introduce verticalmente un tubo de vidrio de
diámetro pequeño (desde unos milímetros hasta micras
de tamaño) en un depósito lleno de agua, el agua sube
en el tubo hasta una determinada altura y se forma un
menisco cóncavo, esta altura es inversamente
proporcional al diámetro del tubo.
La altura capilar que alcanza el agua en el suelo, se
determina considerando una masa de suelo con una
gran red de tubos capilares formados por los vacíos
existentes en su masa.
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
capilaridad en suelos
Al contrario de los tubos capilares, los vacíos en
suelos tienen ancho variable y se comunican entre sí
formando un enrejado. Si este enrejado se comunica
por abajo con el agua, su parte inferior se satura
completamente. Más arriba el agua solo ocupa los
vacios pequeños y los mayores quedan con aire.
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
El agua capilar es la fracción del agua que ocupa los microporos, se
mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión
superficial del agua. Es aquella que se eleva sobre el nivel de agua
libre gravitacional, es decir por encima del nivel en el cual la presión
es igual a la atmosférica, hasta la zona de aireación no saturada.
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En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un
suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la
compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática
en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, de tal
manera que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan
pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava
gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, por lo que estos
suelos se utilizan en la construcción cuando se tienen niveles freáticos
altos.
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
problemas de capilaridad en la construcción
Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del
agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se
humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la
corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta
agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por
capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en
los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este
problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por
un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática.
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
En la construcción de calles, carreteras, autopistas, pistas de
aterrizaje es importante tener en cuenta el agua capilar existente en
el terreno de fundación que queda encima de la napa freática. Una
solución al problema es colocar capas granulares sobre la
subrasante, lo cual impide la capilaridad del agua freática.
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
Mecánicade suelos I Lima, mayo 2020
En suelos de granulometría fina (limos, arcillas) los vacíos son de
diámetro reducido por lo tanto la altura capilar es mayor y en los suelos
de granulometría gruesa la altura capilar es menor.
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Fuerzas de cohesión y de adhesión
Las moléculas superficiales del líquido abierto al aire, que se encuentran
en la inmediata vecindad con la pared sólida están solicitadas por
fuerzas de 2 tipos: cohesión y adhesión.
• La cohesión: atracción entre moléculas
iguales (en este caso es debida a la
acción de las restantes moléculas del
líquido).
• La adhesión: atracción entre moléculas
diferentes (en este caso es ejercida por
las moléculas de las paredes del
recipiente).
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
Si las fuerzas de adhesión son mayores que las de cohesión, se forman
los meniscos cóncavos, en cambio si las fuerza de cohesión son mayores
que las de adhesión, se forman los meniscos convexos.
La forma de los meniscos (cóncavos o convexos) dependen de la
naturaleza del líquido y del material que constituya la pares del recipiente,
por ejemplo el agua forma meniscos cóncavos con el vidrio, en cambio el
mercurio forma meniscos convexos con el vidrio.
El ángulo que forma el menisco con la
pared del recipiente se denomina ángulo
de contacto y se representa por 
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
Ángulo de contacto α
El ángulo de contacto es el ángulo en el cual entran en contacto una
interfase líquida/gaseosa con una superficie sólida, el ángulo de
contacto es específico para un sistema dado y está determinado por las
interacciones entre las interfaces participantes. El ángulo de contacto
se mide con un aparato llamado goniómetro.
Si  < 90° el menisco es cóncavo,
y si  > 90° el menisco es
convexo. El valor de  se
aproxima a 0° entre el vidrio limpio
húmedo y agua destilada
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
La capilaridad es el fenómeno debido a la tensión superficial, en
virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño
diámetro y por entre láminas muy próximas.
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Tensión superficial
Las moléculas de la capa superior del agua están por una parte atraídas
entre si y por otra parte atraídas por las moléculas de la capa inferior
formándose en la superficie como una película que es difícil de romper.
La energía necesaria para romper esta capa por unidad de área se
conoce como tensión superficial.
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La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido
presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma
esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los
tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la
superficie de los líquidos.
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Tensión superficial
Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de
un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película
elástica . La superficie, en vez de aplanarse, tiende a curvarse, para que
toda ella contenga el mínimo posible de energía.
A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que
afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la
superficie. Así en el seno de un líquido cada molécula está sometida a
fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la
molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie
hay una fuerza neta hacia el interior del liquido.
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una
mínima fuerza hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es
despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y
el gas.
La tensión superficial tiene como principal
efecto la tendencia del líquido a disminuir
en lo posible su superficie para un
volumen dado, de aquí que un líquido en
ausencia de gravedad adopte la forma
esférica, que es la que tiene menor
relación área/volumen.
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor
energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del
sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el
número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción del área
hasta el mínimo posible.
La tensión superficial es la fuerza que actúa paralelamente a la superficie del
agua, esta tensión es debida a la atracciónmolecular de agua que se
encuentra desequilibrada en la superficie de separación entre el aire y el
agua en los pros del suelo.
El valor de la tensión superficial se considera 0.075 gr/cm
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La fuerza que jala hacia arriba es la componente vertical de la tensión
superficial Ts. La tensión superficial es la fuerza que actúa sobre la
superficie de un liquido en contacto con un gas actúa para minimizar su
área. Si el ángulo entre el menisco y la pared del tubo es a entonces la
fuerza hacia arriba es Ts * Cosa.
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El agua en la arena se mueve hacia arriba de la superficie freática en la
columna de arena. Las trayectorias entre los granos actúan como
capilares. De esto se sigue que el agua puede fluir hacia arriba dado
que la presión en estas zona es menor que la atmosférica
Materiales con componentes finos ocasionan que el agua fluya hacia
arriba mas allá que lo que podría hacer el agua en materiales con
componentes mas gruesos
Si un suelo tiene una mezcla de componentes de distintos tamaños, la
tendencia del agua será moverse mas arriba en la zona donde los
componentes sean más finos
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Tension superficial
El trabajo necesario para aumentar el área de una superficie líquida,
resulta ser experimentalmente proporcional al aumento, definiéndose
como coeficiente de tensión superficial la relación entre ambos
conceptos.
Ts = dw /dA
dw = diferencial de trabajo 
dA = diferencial de área
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Cuando un líquido presenta al aire una superficie curva, se genera en ese
menisco curvo un desnivel de presión, de modo que la presión en el lado
convexo es siempre menor que la existente en el lado cóncavo.
En el lado convexo del tubo existe la presión p, mientras en el cóncavo
existe la presión pa (presión atmosférica), de modo que:
P = pa – 2Ts
R
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Ascensión capilar
La ascensión capilar del agua en un suelo que se encuentra sobre el
nivel freático subterráneo se debe al efecto combinado de la tensión
capilar y la presión hidrostática. Luego la altura capilar se determina
igualando la presión hidrostática y la tensión capilar máxima.
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La altura capilar del agua en un tubo capilar de vidrio se determina:
La presión P2 en el punto M antes de 
que el agua ascienda es:
P2 = pa – 2Ts
R
Además se sabe que 
Cos  = r
R
R = r
cos
P2 = pa – 2Ts cos 
r
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pero cuando asciende y se alcanza el equilibrio la presión en M1 debe ser la
atmosférica, luego se tendrá:
Presión en M1 es P2 + w h 
Pa = P2 + w h
Luego reemplazando P2 ,se tiene 
pa = pa – 2Ts cos  + w h
r
u = h w esfuerzo de tensión
El esfuerzo de tensión del agua en cualquier punto de la columna está dado
por el producto de la distancia vertical del punto a la superficie libre del
líquido y el peso específico del mismo.
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
h = 2Ts cos 
r w
h = altura que debe ascender el agua en el tubo capilar 
Ts = tensión superficial
r = radio del tubo capilar
= ángulo de contacto
w = peso específico del agua
En el caso del contacto agua –aire, la tensión superficial se 
considera Ts = 0.074 gr/cm. ( Ts = 73 dinas/cm)
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
En realidad Ts varía con la temperatura del agua y no tiene valor fijo,
el valor anterior corresponde aproximadamente a 20° C, por otra
parte en el lado de agua sobre vidrio húmedo se vio que el ángulo de
contacto  es nulo, luego:
h = 2 Ts
r
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
h = 2 Ts * 2 = 4 Ts = 4 Ts
r * 2 2 r D
si Ts = 0.074
h = 4 * 0.074 = 0.3
D D
Altura capilar en el suelo
La altura capilar de un suelo, se puede estimar hc en centímetros, en 
función de la relación de vacios y del diámetro efectivo de las partículas
hc = c .
e D10
C: constante que varía de 0.1 a 0.5 
e : relación de vacíos
D10: tamaño efectivo
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Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad
Si el suelo está saturado, el agua ejerce una fuerza de separación entre las
partículas sólidas del suelo (presión hidrostática). Luego el suelo empieza
a secarse por cualquier causa, que generalmente es el calentamiento por
el sol, y el agua que hay en el suelo se evapora, la masa de suelo trata de
tomar su nivel freático normal, de esta manera las aguas empiezan a
bajar, creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce
esfuerzos de compresión en el suelo, pasando este de la presión
hidrostática (cuando el suelo estaba saturado), a un esfuerzo de tensión
superficial (al tener el fenómeno de capilaridad del agua). De esta manera
el suelo entra en un proceso de contracción.
Mecánicade suelos I Lima, Mayo 2020
Hay que tener en cuenta que el suelo debe ser un suelo fino, para
poder producir el proceso de capilaridad, y de esta manera crear la
tensión superficial necesaria para que el suelo se contraiga. El proceso
de la retracción del agua hacia el interior no se hará simultáneamente
en toda la masa de suelo, debido a que la masa de suelo tiene
diferentes diámetros de poros, produciendo tubos capilares de
diferentes diámetros, bajando primero el agua que se encuentra en los
canalículos más gruesos (Especie de tubos capilares formados por los
poros del suelo).