Hispanopedia WikiLa presión del agua intersticial (a veces abreviada como pwp ) se refiere a la presión del agua subterránea contenida en un suelo o roca , en los espacios entre partículas ( poros ). Las presiones del agua intersticial por debajo del nivel freático del agua subterránea se miden con piezómetros . Generalmente, se puede suponer que la distribución vertical de la presión del agua intersticial en los acuíferos es cercana a la hidrostática .
En la zona no saturada ("vadosa") , la presión de poros está determinada por la capilaridad y también se denomina tensión , succión o presión mátrica. Las presiones del agua intersticial en condiciones no saturadas se miden con tensiómetros , que funcionan permitiendo que el agua intersticial alcance el equilibrio con un indicador de presión de referencia a través de una copa cerámica permeable colocada en contacto con el suelo.
La presión del agua intersticial es vital para calcular el estado de tensión en la mecánica del suelo , a partir de la expresión de Terzaghi para la tensión efectiva del suelo.
Principios generales
La presión se desarrolla debido a: [ 1 ]
- Diferencia de elevación del agua : agua que fluye desde una elevación más alta a una elevación más baja y que causa una carga de velocidad, o con flujo de agua, como se ejemplifica en las ecuaciones de energía de Bernoulli .
- Presión hidrostática del agua : resultante del peso del material situado por encima del punto medido.
- Presión osmótica : agregación no homogénea de concentraciones de iones , que provoca una fuerza en las partículas de agua al atraerse estas según las leyes moleculares de atracción.
- Presión de absorción : atracción entre las partículas de suelo circundantes debido a las películas de agua adsorbidas.
- Succión mátrica : la característica definitoria del suelo no saturado, este término corresponde a la presión que el suelo seco ejerce sobre el material circundante para igualar el contenido de humedad en todo el bloque de suelo y se define como la diferencia entre la presión del aire de los poros,y la presión del agua intersticial,. [ 2 ]
Debajo del nivel freático
Los efectos de flotabilidad del agua tienen un gran impacto en ciertas propiedades del suelo, como la tensión efectiva presente en cualquier punto de un medio de suelo. Consideremos un punto arbitrario a cinco metros por debajo de la superficie del suelo. En suelo seco, las partículas en este punto experimentan una tensión total vertical igual a la profundidad subterránea (5 metros), multiplicada por el peso específico del suelo. Sin embargo, cuando la altura del nivel freático local se encuentra dentro de esos cinco metros, la tensión total que se siente a cinco metros por debajo de la superficie disminuye en el producto de la altura del nivel freático en el área de cinco metros y el peso específico del agua, 9,81 kN/m³. Este parámetro se denomina tensión efectiva del suelo, básicamente igual a la diferencia entre la tensión total del suelo y la presión del agua intersticial. La presión del agua intersticial es esencial para diferenciar la tensión total del suelo de su tensión efectiva. Una representación correcta de la tensión en el suelo es necesaria para realizar cálculos de campo precisos en diversas disciplinas de ingeniería. [ 3 ]
Ecuación para el cálculo
Cuando no hay flujo, la presión de poro a profundidad, h w , por debajo de la superficie del agua es: [ 4 ]
- ,
dónde:
- p s es la presión del agua intersticial saturada (kPa)
- g w es el peso unitario del agua (kN/m 3 ),
- h w es la profundidad por debajo del nivel freático (m),
Métodos y estándares de medición
El método estándar para medir la presión del agua intersticial por debajo del nivel freático emplea un piezómetro, que mide la altura a la que asciende una columna de líquido contra la gravedad ; es decir, la presión estática (o carga piezométrica ) del agua subterránea a una profundidad específica. [ 6 ] Los piezómetros suelen emplear transductores de presión electrónicos para proporcionar datos. La Oficina de Recuperación de los Estados Unidos (USBRE) tiene una norma para el monitoreo de la presión del agua en una masa rocosa con piezómetros. Cita la norma ASTM D4750, "Método de prueba estándar para determinar los niveles de líquido subsuperficial en un pozo de perforación o pozo de monitoreo (pozo de observación)". [ 7 ]
Por encima del nivel freático
En cualquier punto por encima del nivel freático , en la zona vadosa, la tensión efectiva es aproximadamente igual a la tensión total, como lo demuestra el principio de Terzaghi . En realidad, la tensión efectiva es mayor que la tensión total, ya que la presión del agua de poro en estos suelos parcialmente saturados es en realidad negativa. Esto se debe principalmente a la tensión superficial del agua de poro en los huecos a lo largo de la zona vadosa que causa un efecto de succión en las partículas circundantes, es decir, succión mátrica. Esta acción capilar es el "movimiento ascendente del agua a través de la zona vadosa" (Coduto, 266). [ 8 ] El aumento de la infiltración de agua, como la causada por fuertes lluvias, produce una reducción en la succión mátrica, siguiendo la relación descrita por la curva característica de agua del suelo (SWCC), lo que resulta en una reducción de la resistencia al corte del suelo y una menor estabilidad de la pendiente. [ 9 ] Los efectos capilares en el suelo son más complejos que en el agua libre debido al espacio vacío conectado aleatoriamente y la interferencia de partículas a través de los cuales fluye; En cualquier caso, la altura de esta zona de ascenso capilar, donde la presión negativa del agua en los poros suele ser máxima, puede aproximarse con precisión mediante una ecuación sencilla. La altura del ascenso capilar es inversamente proporcional al diámetro del espacio vacío en contacto con el agua. Por lo tanto, cuanto menor sea el espacio vacío, mayor será la altura que alcance el agua debido a las fuerzas de tensión. Los suelos arenosos están compuestos de material más grueso con mayor espacio para los poros y, por consiguiente, tienden a tener una zona capilar mucho menos profunda que los suelos más cohesivos, como las arcillas y los limos . [ 8 ]
Ecuación para el cálculo
Si el nivel freático se encuentra a una profundidad d w en suelos de grano fino, entonces la presión de poros en la superficie del suelo es: [ 4 ]
- ,
dónde:
- p g es la presión del agua intersticial no saturada (Pa) a nivel del suelo,
- g w es el peso unitario del agua (kN/m 3 ),
- d w es la profundidad del nivel freático (m),
y la presión de poro a una profundidad z por debajo de la superficie es:
- ,
dónde:
- p u es la presión del agua de poro no saturada (Pa) en el punto z , por debajo del nivel del suelo,
- z es la profundidad por debajo del nivel del suelo.
Métodos y estándares de medición
Un tensiómetro es un instrumento utilizado para determinar el potencial hídrico mátrico () ( tensión de la humedad del suelo ) en la zona vadosa. [ 10 ] Una norma ISO , " Calidad del suelo : determinación de la presión del agua de poro: método del tensiómetro", ISO 11276:1995, "describe métodos para la determinación de la presión del agua de poro (mediciones puntuales) en suelos no saturados y saturados utilizando tensiómetros. Aplicable para mediciones in situ en el campo y, por ejemplo, núcleos de suelo, utilizados en exámenes experimentales". Define la presión del agua de poro como "la suma de las presiones mátrica y neumática". [ 11 ]
Presión de matrícula
La cantidad de trabajo que debe realizarse para transportar de forma reversible e isotérmica una cantidad infinitesimal de agua, idéntica en composición al agua del suelo, desde un estanque situado a la elevación y presión de gas externa del punto en cuestión, hasta el agua del suelo en dicho punto, dividida por el volumen de agua transportada. [ 12 ]
Presión neumática
La cantidad de trabajo que debe realizarse para transportar de forma reversible e isotérmica una cantidad infinitesimal de agua, idéntica en composición al agua del suelo, desde un estanque a presión atmosférica y a la elevación del punto en consideración, hasta un estanque similar a una presión de gas externa del punto en consideración, dividida por el volumen de agua transportada. [ 12 ]
Véase también
Referencias
- ↑ Mitchell, JK (1960). "Componentes de la presión del agua intersticial y su significado en ingeniería" (PDF) . Arcillas y minerales arcillosos . 9 (1): 162– 184. Bibcode : 1960CCM.....9..162M . doi : 10.1346/CCMN.1960.0090109 . S2CID 32375250. Archivado del original (PDF) el 18 de febrero de 2019. Recuperado el 17 de febrero de 2013 .
- ↑ Zhang Chao; Lu Ning (2019-02-01). "Definición unitaria de succión mátrica" . Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering . 145 (2): 02818004. doi : 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002004 .
- ↑ Das, Braja (2011). Principios de ingeniería de cimentaciones . Stamford, CT: Cengage Learning. ISBN 9780495668107.
- 1 2 Wood, David Muir. "Presión del agua intersticial" . Paquete de referencia GeotechniCAL . Universidad de Bristol . Recuperado el 12 de marzo de 2014 .
- ↑ Consejo Nacional de Examinadores de Ingeniería y Topografía (2005). Fundamentos de Ingeniería - Manual de Referencia Suplementario (7.ª ed.). Clemson: Consejo Nacional de Examinadores de Ingeniería y Topografía. ISBN 1-932613-00-5
- ↑ Dunnicliff, John (1993) [1988]. Instrumentación geotécnica para el monitoreo del desempeño en campo . Wiley-Interscience. pág. 117. ISBN 0-471-00546-0.
- ↑ Laboratorio de Investigación e Ingeniería de Materiales. "Procedimiento para el uso de piezómetros para monitorear la presión del agua en una masa rocosa" (PDF) . USBR 6515. Oficina de Recuperación de los Estados Unidos . Consultado el 13 de marzo de 2014 .
- 1 2 Coduto, Donald; et al. (2011). Principios y prácticas de ingeniería geotécnica . NJ: Pearson Higher Education, Inc. ISBN 9780132368681.
- ↑ Zhang, Y; et al. (2015). "Efectos de la velocidad en puentes capilares intergranulares". Mecánica de suelos no saturados: de la teoría a la práctica: Actas de la 6.ª Conferencia Asia-Pacífico sobre suelos no saturados . CRC Press. págs. 463–466 .
- ↑ Rawls, WJ, Ahuja, LR, Brakensiek, DL y Shirmohammadi, A. 1993. Infiltración y movimiento del agua en el suelo , en Maidment, DR, Ed., Manual de hidrología, Nueva York, NY, EE. UU., McGraw-Hill, pág. 5.1–5.51.
- ↑ ISO (1995). "Calidad del suelo - Determinación de la presión del agua intersticial - Método del tensiómetro" . ISO 11276:1995 . Organización Internacional de Normalización . Consultado el 13 de marzo de 2014 .
- 1 2 BS 7755 1996; Parte 5.1
- Mecánica de suelos