El agua en el suelo y en la roca
David Huertas Rosales
Asignatura: Ingeniería geotécnica y cimientos Centro: Escuela politécnica superior de Linares(Universidad de Jaén) Grado en: Ingeniería civil Profesor: D. Francisco Olivares Casado Curso: 3º (2014-2015)
El agua en el suelo y en la roca Indice 1.El agua en el suelo ...................................................................................................................... 3 1.1Estados del agua en el suelo ................................................................................................ 3 1.2Nivel freático o nivel piezometrico ...................................................................................... 4 1.3Capilaridad ........................................................................................................................... 5 1.4Humedad de contacto .......................................................................................................... 5 1.5Movimiento del agua en el suelo. Permeabilidad................................................................ 6 1.6Coeficiente de permeabilidad “K” ....................................................................................... 7 1.7Valores típicos del coeficiente de permeabilidad ................................................................ 7 1.7.1Correspondencia entre el coeficiente de permeabilidad k y el índice de huecos e ..... 8 1.8Medición de la permeabilidad en laboratorio ..................................................................... 8 1.9Permeámetro de carga variable ........................................................................................... 9 1.10 Otros movimientos no gravitatorios del agua: electroósmosis y termoósmosis ............ 10 1.11Otros factores que influyen en la permeabilidad ............................................................ 10 1.12Determinación de la permeabilidad IN SITU ................................................................... 11 1.13Tensión efectiva . tensión neutra o tensión de poro ....................................................... 11 1.14Gradiente hidráulico critico “IC” ...................................................................................... 11 1.15Valores de permeabilidad y drenaje ................................................................................ 12 1.16Consideraciones sobre el sistema agua-suelo ................................................................. 12 1.17Hielo en el suelo ............................................................................................................... 13 1.18Desarrollo de la vegetación.............................................................................................. 14 2 EL AGUA EN LA ROCA .............................................................................................................. 15 2.1 PERMEABILIDAD Y FLUJO DE AGUA ................................................................................ 15 2.2 POROSIDAD Y PESO ESPECÍFICO DE LAS ROCAS................................................................ 17 2.3 EFECTOS DEL AGUA SUBTERRÁNEA SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS ................................................................................................................................. 19 3.Bibliografia ............................................................................................................................... 21
2
El agua en el suelo y en la roca 1.El agua en el suelo 1.1Estados del agua en el suelo Se distinguen fundamentalmente dos estados: -1) de unión íntima o combinación química: agua de constitución (por ejemplo, en el yeso: SO4Ca.2H2O), la cual forma parte de la estructura química de las partículas sólidas del suelo, ejemplo de ello es el agua de cristalización, que no se puede drenar, y que sólo es eliminable por procedimientos que alterarían su composición. - 2) de unión física. En este estado se distinguen: -2.a) agua retenida por fuerzas no capilares, retenida principalmente por atracción eléctrica, dado el carácter dipolar de sus moléculas, las cuales tienen una atracción físico-química. Esta es el agua de adherencia en las arcillas, a la cual deben su plasticidad. También se llama agua pelicular, pues rodea las partículas del suelo como una fina piel, y queda sujeta a él por fuerzas de adhesión, de atracción físicoquímica. Ejemplo de ello es el caso de arenas con cierta humedad de contacto, que presentan un fenómeno parecido a la cohesión. Estas aguas de retención no pueden desplazarse por gravedad. No se captan mediante los sistemas de drenaje. -2.b) agua retenida por fuerzas capilares. Se encuentra en los canalillos que dejan entre sí las partículas del terreno, llamados conductos capilares. Se mantiene en ellos por las fuerzas de la capilaridad. El agua en los capilares continuos proviene del agua de gravedad, (agua de la zona saturada, en el interior del terreno), estando sostenida por ella y siendo la aportación permanente mientras haya agua en el acuífero. El agua en ese estado se llama capilar continua o sostenida. Ese tipo de agua acompaña a la fuente de alimentación, (agua de gravedad), en sus fluctuaciones. Cuando un terreno recibe una aportación exterior de agua (lluvia o nieve), se produce una saturación de los huecos en las capas superiores, y el agua desciende por gravedad. Al cesar la aportación, transcurrido un cierto tiempo, desaparece el estado de saturación pero parte del agua queda retenida en el terreno por El terreno fuerzas capilares; la distribución es irregular y por ello se le da el nombre de agua capilar aislada o suspendida. Esta es el agua que las plantas aprovechan por succión en sus raíces. -2.c) agua no retenida por el suelo: es la que tras una aportación de agua meteórica se introduce y desciende en el terreno, sometida fundamentalmente a la acción de la gravedad y alcanza un fondo impermeable o una zona ya saturada, y satura a su vez la zona suprayacente; por eso se le llama agua de gravitación o de saturación; satura todo el terreno, llenando todos los huecos, poros, intersticios o fisuras. Sigue la ley de la gravedad y transmite la presión hidrostática. Este agua puede circular por el terreno y puede captarse por métodos de drenaje y además arrastrar al agua capilar continua.
3
El agua en el suelo y en la roca 1.2Nivel freático o nivel piezometrico Se define como el lugar geométrico de los niveles que alcanza la superficie del agua en pozos de observación en libre comunicación con los vacíos del suelo in situ. También se define como lugar geométrico donde la tensión del agua es nula respecto a la atmosférica.
Si se introducen en el suelo tubos agujereados de observación, el nivel alcanzado por el agua estática corresponderá al nivel del agua en el suelo, o sea, se obtendrá el nivel freático, por debajo del cual el suelo y la roca están sumergidos y, por encima del cual el agua se puede elevar por capilaridad. También se puede encontrar un nivel freático suspendido: El nivel freático puede alimentar un lago o río, o puede ser alumbrado por él, según su situación en valles o en cumbres. a) nivel freático alimentando un lago o río (zona húmeda). b) nivel freático alimentado por un río (zona árida)
También se puede encontrar un nivel freático suspendido, como se ve en el esquema de la figura
4
El agua en el suelo y en la roca
Se recuerda el término acuífero, nombre que se da al terreno por el cual circula el agua. El límite impermeable inferior del acuífero se llama muro y el superior techo. Cuando un acuífero tiene pendiente, el agua situada en su parte baja puede estar sometida a presión alta, y dar origen al agua artesiana. Si atravesando el acuicluso (capa impermeable cerrada al agua-) se abre un pozo que penetre en el acuífero (pozo artesiano), el agua saldrá con gran velocidad hacia la superficie.
1.3Capilaridad El contacto de dos fluidos no miscibles -caso del agua y del aire- produce una atracción entre sus moléculas que se llama tensión superficial. Esto, unido a la tendencia de las moléculas a adherirse a los sólidos, hace que el agua sea retenida por los finos canalillos que existen en el suelo (conductos capilares), a veces llenos de aire. Estas fuerzas de retención constituyen las llamadas fuerzas capilares.
1.4Humedad de contacto Si la arena está sólo húmeda, existe una humedad de contacto. Las fuerzas producidas se pueden representar como en el gráfico de la figura. Entre dos partículas sólidas que contactan en un punto M, las fuerzas de la humedad de contacto tienen una resultante vertical, P, que tiende a mantener unidos los granos con un efecto similar al de la cohesión. Por eso a este
5
El agua en el suelo y en la roca fenómeno se le llama cohesión aparente de las arenas. Hay que recalcar lo de aparente, ya que si se sumerge el suelo, o se seca, esa tensión superficial (aparente) desaparece y produce la consiguiente desintegración del esqueleto o conjunto de parte sólida de la arena.
Si la arena es densa, esa cohesión aumenta a tal punto su resistencia al corte que existen taludes verticales de bastante altura los cuales permanecen estables. Baste pensar en las construcciones con arena húmeda que hacen los niños jugando en las playas. Si la arena húmeda se deposita de forma suelta, por ejemplo es volcada sin compactación posterior, la cohesión impide que las partículas se asienten en formas más estables y esto reduce la capacidad de carga casi a cero. El volumen de esa arena húmeda puede ser del 20 al 30 % mayor que el que tendría si estuviese seca, aunque también estuviera suelta. Este fenómeno, que se suele producir en los 30 ó 60 cm superiores, se llama entumecimiento. Si esa arena se mojara suficientemente se eliminaría la tensión superficial y la porosidad se reduciría a la de la arena saturada en estado suelto, o también, si se secara o redujera a la porosidad de la arena seca suelta, se produciría colapso. De ello se sigue la conveniencia de saturar los rellenos que se prevé que luego van a estar inundados.
1.5Movimiento del agua en el suelo. Permeabilidad El hecho del movimiento del agua en el suelo lleva al concepto de permeabilidad. Se entiende por permeabilidad la capacidad de un material para ser atravesado por un líquido. Permeabilidad de un suelo es la propiedad que tiene ese suelo de dejar pasar el agua a través de él. Esto implica una posibilidad de recorrido, y exige la existencia de vacíos o huecos continuos. La permeabilidad de los suelos tiene un efecto decisivo sobre el coste y las dificultades en la construcción (por ejemplo, en excavaciones a cielo abierto bajo nivel freático), y en la velocidad de consolidación de los estratos de arcillas blandas bajo el peso de una cimentación.
6
El agua en el suelo y en la roca El agua ejerce una presión sobre el material poroso a través del cual circula. Esta presión se conoce como presión de filtración o tensión de filtración. Esto es como un roce que produce el agua con las paredes de los granos o componentes sólidos del suelo que conforman los canalillos por los que el agua se mueve. Básicamente se estudian las circulaciones correspondientes a regímenes no variables, o sea, permanentes (las líneas de corriente coinciden con las trayectorias de las partículas elementales del fluido) o estacionarios (no turbulentos). En esos casos el escurrimiento o filtración, o sea, el movimiento de las partículas fluidas, se produce a lo largo de caminos muy ajustados a curvas, llamadas líneas de corriente o líneas de filtración, invariables en el transcurso del tiempo. A lo largo de esas líneas de corriente la presión y la velocidad del agua varían según ciertas leyes
1.6Coeficiente de permeabilidad “K” “k”, también denominada conductividad hidráulica, no es constante, y se define como la velocidad media ideal del movimiento que se establece bajo la acción del gradiente hidráulico unidad, a través del área total de la sección transversal del suelo. ( k = v /i). Todos los suelos son permeables en mayor o menor grado. Incluso las arcillas más compactas son permeables el propio granito no es absolutamente impermeable: lo que pasa es que siendo tan poca la cantidad de agua la que pasa por unidad de tiempo. esta se evapora al entrar en contacto con el aire. El coeficiente de permeabilidad. K no sólo depende de ciertas propiedades del material poroso. sino también de las del líquido que circula por el mismo (principalmente densidad. , viscosidad. ). En una masa de suelo, los pequeños canales a través de los cuales circula el agula tienen tina sección transversal muy variable e irregular. Por ello la velocidad real de circulación es variable. Sin embargo la velocidad del movimiento considerado macroscópicamente sigue las mismas leyes que determinan el escurrimiento o flujo en los tubos capilares rectos de sección constante, y en consecuencia, si la sección transversal del tubo es circular, la velocidad de filtración aumenta, de acuerdo con la ley de Poiseuille, con el cuadrado del diámetro del tubo. El diámetro medio de los vacíos de un suelo, con una porosidad dada. aumenta prácticamente en relación directa con el tamaño. D. de las partículas: por ello es posible expresar K en función de D siguiendo la ley de Poiseuille:
1.7Valores típicos del coeficiente de permeabilidad Para tener una primera noción de valores de k (coeficiente de permeabilidad) típicos de los suelos, bastan, según Casagrande y Fadum (1940), estos valores:
7
El agua en el suelo y en la roca
1.7.1Correspondencia entre el coeficiente de permeabilidad k y el índice de huecos e Cuando un suelo es comprimido o vibrado el volumen ocupado por sus elementos sólidos permanece prácticamente invariable, mientras que el volumen de los vacíos disminuye. Por tanto la permeabilidad del suelo también disminuye. La relación de vacíos y la permeabilidad están en correspondencia, según se ve en la gráfica (figura 2.12), en la que en abscisas se presenta la relación de vacíos y en ordenadas la relación k/k0.85, entre el coeficiente de permeabilidad k del suelo, con una relación de vacíos dada, e, y el coeficiente k0.85 (valor de k cuando el índice de huecos es e= 0,85).
En cimentaciones raramente se encuentran arenas limpias del tipo indicado anteriormente. Si la arena contiene un alto porcentaje de partículas en forma de escamas, como son las partículas de mica, la relación estudiada se ajusta a la curva de trazos discontinuos. Para tener una idea de magnitudes se puede considerar que la velocidad de filtración del agua en la arena, para un gradiente hidráulico igual a la unidad, suele ser de algunos centímetros por hora, mientras que en las arcillas esta velocidad no excede de unos centímetros por año. Se pueden hacer más inteligibles estos datos con el siguiente ejemplo: una velocidad de 10-6 cm/s representa aproximadamente unos 30 cm /año.
1.8Medición de la permeabilidad en laboratorio Existen varios tipos de aparatos para medir la permeabilidad en laboratorio, llamados permeámetros; los principales son los de carga constante y los de carga variable. Permeámetro de carga constante:
8
El agua en el suelo y en la roca
Sólo se emplea para suelos muy permeables (k ≥ 10-3 m/s), o sea, en gravas y arenas limpias. El gradiente hidráulico i = h/H es constante al serlo la h. Pero aun para esos suelos muy permeables es preferible el permeámetro de carga variable pues los resultados tienen menor error por formación de burbujas de aire en los tubos de conexión.
1.9Permeámetro de carga variable Se coloca una muestra, M, del suelo que se quiere estudiar en un molde cilíndrico cerrado en sus dos extremos por dos tapas muy porosas. La tapa superior tiene un aliviadero de agua, la inferior comunica con un depósito de agua y con un tubo de un metro de altura y de sección apropiada a cada tipo de suelo (20 cm2 para suelos muy permeables, y 5 mm2 para poco permeables); dicho tubo, de sección a, también está conectado al depósito. Unas piedras porosas cubren las dos caras de la muestra en el interior del molde. Se somete la muestra a saturación (esto tarda unos minutos con arenas y varios días con arcillas); cuando ya está saturada, con el molde lleno de agua y comunicada únicamente con el tubo graduado, se comprueba que el agua va descendiendo lentamente por el tubo. Se mide el tiempo T necesario para que el nivel de agua descienda desde h1 hasta h2 (extremos superior e inferior del tubo). Las alturas se miden con relación al nivel de agua en el aliviadero.
9
El agua en el suelo y en la roca 1.10 Otros movimientos no gravitatorios del agua: electroósmosis y termoósmosis La forma más común de movimiento no gravitatorio del agua a través del suelo se debe a la atracción capilar. Otra forma de movimiento de agua no gravitatorio, pero menos conocida, es la causada por las diferencias de temperatura en una capa de suelo; se conoce con el nombre general de termoósmosis. Se demuestra que la afinidad del agua por los suelos aumenta cuando la temperatura disminuye. Esto explica el movimiento observable del agua de una parte caliente del suelo a otra fría. Un fenómeno relacionado con el anterior es la electroósmosis. Se ha demostrado que la aplicación de un potencial eléctrico produce movimiento del agua en un tubo capilar. El agua se traslada del ánodo (+), hacia el cátodo (-). Winterkorn demostró la relación directa que existe entre esos dos fenómenos. La electroósmosis ha encontrado utilización práctica en la excavación de suelos del tipo limo, cuya estabilidad no se podía conseguir de otra forma. La termoósmosis está íntimamente relacionada con el fenómeno del levantamiento del terreno por la acción del hielo: se ha observado que la superficie helada de las capas del terreno es susceptible de levantarse en ciertas condiciones. Se han registrado levantamientos de 25 cm y más.
1.11Otros factores que influyen en la permeabilidad El valor del coeficiente de permeabilidad depende de la temperatura, la viscosidad y el peso específico del fluido (éstas últimas son las variables de flujo más importantes en la permeabilidad), pero además hay otros factores, como por ejemplo la veracidad del suelo de origen, puesto que es difícil conseguir muestras inalteradas y se ha de contar con los errores de manipulación, tanto in situ como en el laboratorio. También existen otras características variables, como la polaridad, además de ciertas características relativas a la fase sólida del suelo, como son: - tamaño de las partículas, - relación de vacíos, - estructura (forma y ligazón de los granos), - composición y compacidad, y relaciones con el grado de saturación. Así, se ve que los granos pulidos y redondeados muestran una permeabilidad más elevada que los granos angulosos. Y, por otra parte, cuanto más gruesos son los granos y más uniformes sus dimensiones, mayor es el coeficiente de permeabilidad, e inversamente, cuando los finos aumentan el coeficiente de permeabilidad, k, disminuye muy rápidamente.
10
El agua en el suelo y en la roca 1.12Determinación de la permeabilidad IN SITU En el propio terreno se puede determinar la permeabilidad recurriendo a alguno de los siguientes ensayos: a).Los basados en el principio del ensayo de permeabilidad con carga hidráulica variable: miden la velocidad con que desciende el nivel del agua en un tubo determinado. Estos ensayos practicados en una perforación sirven para obtener el orden de magnitud de la permeabilidad. b).Los que proporcionan datos más acertados son los ensayos de bombeo desde pozos testigos. Esto requiere un pozo de bombeo de 25 a 30 cm de diámetro, y un número por lo menos de 6 pozos de observación, situados en dos rectas que pasen por el centro de la base del pozo, en direcciones perpendiculares entre sí.
1.13Tensión efectiva . tensión neutra o tensión de poro Los esfuerzos se transmiten en el suelo a través de los granos y del agua intersticial, pero por ahora no es posible estudiar el reparto real de las tensiones en función de la verdadera posición y tamaño de cada uno de los granos. Por ello se supone que el suelo es homogéneo y en cada punto se define el tensor de tensiones, como se hace en resistencia de materiales, entendiendo que el volumen elemental de suelo a considerar sea lo suficientemente grande como para tener partículas sólidas y agua intersticial (agua entre sus huecos). Sin embargo, las diferentes fases que constituyen el suelo no se rigen por las mismas leyes y, realmente no se puede considerar que el complejo sólido-líquido-gas se comporte como un todo homogéneo. De aquí que en el caso de suelo saturado o suelo seco, se deba distinguir de la tensión total dos partes: una es la del fluido (aire, en caso del suelo seco, o agua, en el de suelo saturado), y otra parte es la de las partículas sólidas (intergranular o efectiva). (Tensión total = tensión neutra + tensión efectiva).
1.14Gradiente hidráulico critico “IC” El que, de ser superado, hace que empiece a ebullir el material suelto donde se produce una filtración y se produzca arrastre o sifonamiento. El agua subterránea se mueve en la dirección en que decrece el potencial hidráulico total, de manera que si se mantienen constantes todos los demás factores, la cuantía del movimiento de aquélla en el seno de la zona saturada depende del gradiente hidráulico. El gradiente hidráulico (i) se define como la pérdida de energía experimentada por unidad de longitud recorrida por el agua; es decir, representa la pérdida o cambio de potencial hidráulico por unidad de longitud, medida en el sentido del flujo de agua.
11
El agua en el suelo y en la roca 1.15Valores de permeabilidad y drenaje Puede considerarse una clasificación de suelos según su permeabilidad y drenaje, con los valores aproximados de la permeabilidad, en unidades de cm/s. Esto se resume en la siguiente tabla:
1.16Consideraciones sobre el sistema agua-suelo El complejo sistema agua-suelo tiene muchas propiedades e influencias en el comportamiento del suelo: la plasticidad, la cohesión, la consistencia, la consolidación en el tiempo, etc. Las influencias del agua más importantes son la subpresión en las bases de las cimentaciones bajo nivel freático, el empuje hidrostático en los muros, la compactación de suelos y el drenaje en excavaciones. Se estudiarán en los temas correspondientes de cimentaciones, muros y cortes o taludes. Existen procedimientos especiales de estudio y mejora del suelo basados en las propiedades del complejo agua-suelo. Un caso de aplicación práctica corriente es el empleado para conseguir un adecuado grado de compactación del suelo en terraplenes y rellenos. La eficacia de la compactación depende de la energía aplicada, de la granulometría del suelo y de su contenido de humedad. La humedad óptima,
,
para la compactación de un suelo, y la densidad seca máxima que se
puede alcanzar se determinan mediante el ensayo Proctor. El drenaje es un método de mejora del suelo, ya que reduce la cantidad y/o la presión de agua intersticial, y produce un aumento de compacidad (y aumento de presión efectiva). A veces se hace como medida provisional (caso de drenaje para facilitar el proceso de construcción de sótanos de edificaciones bajo nivel freático), y otras veces como medida permanente para proteger estructuras (drenaje de taludes, o en trasdós de muros de contención), para reducir
12
El agua en el suelo y en la roca presiones intersticiales (presiones debidas al agua que hay en los poros o intersticios del suelo).
1.17Hielo en el suelo También se debe tener en cuenta, para el diseño y cálculo de cimientos, un problema asociado al agua: el del hielo en el suelo, y el levantamiento del mismo en épocas largas de heladas sobre todo en suelos arcillosos y limosos. La dilatación se produce por el constante crecimiento de los cristales de hielo resultantes del continuo movimiento del agua desde la capa freática a la zona helada. El suelo puede helarse cuando la temperatura exterior desciende por debajo de 0o, y consecuentemente aumenta su volumen debido a la transformación del agua en hielo. Evidentemente la resistencia y la deformabilidad del suelo pueden llegar a estar fuertemente influenciadas, sobre todo, por la alternancia rápida de hielo y deshielo. Hay zonas donde el hielo puede tener consecuencias nefastas, por ejemplo en las carreteras y en caminos, sobre todo en lo referente a la resistencia de sus capas subyacentes. Se distinguen claramente dos tipos de suelos helados: - Terrenos helados homogéneamente. En ellos la humedad permanece constante -suele darse en arenas y gravas-. Las pequeñas variaciones de volumen que se producen corresponden a la dilatación del agua contenida en el suelo. En suelos saturados con libre comunicación entre la zona helada y una capa freática no se produce un aumento de volumen. En este caso el agua sobrante es expulsada. - Terrenos helados en forma estratificada. En suelos con ascenso capilar (suelos con gran cantidad de finos), se forman lentejones de hielo. El agua puede ser absorbida de la zona circundante o de un acuífero, (agua freática o agua infiltrada). Los suelos helados sufren dos tipos fundamentales de daños: - Hinchamientos producidos por la helada. - Hundimientos por el aumento de humedad del suelo al fundirse los lentejones de hielo. Los lentejones se sitúan según isotermas, casi siempre paralelos al terreno. El hinchamiento del terreno se produce perpendicular a ellos, y es equivalente a la suma de los espesores de los lentejones. Los lentejones aumentan considerablemente la humedad del terreno. Además, al fundirse el hielo, el suelo se reblandece.
13
El agua en el suelo y en la roca 1.18Desarrollo de la vegetación Otros movimientos periódicos del agua en el suelo suelen ser causados por el desarrollo de la vegetación, que origina cambios de volumen en las capas superficiales de arcilla, perjudiciales para los cimientos someros de edificios y carreteras. La expansión de las raíces y la profundidad de su penetración varía con la clase de planta. Existe cierta relación entre la altura y la amplitud alcanzada sobre el suelo, el tipo de suelo, y la intensidad de las lluvias estivales. Si el suelo es predominantemente de arcilla densa, en la zona de penetración de las raíces, en la época seca, los árboles y arbustos absorben la humedad del suelo próximo a sus raíces, y se pueden producir retracciones desiguales, acompañadas de sus correspondientes asientos, y por consiguiente asientos diferenciales de cualquier cimentación somera construida en dicha zona; los daños son de mayor consideración cuando es sólo una parte de los cimientos la que descansa en tal zona de penetración de raíces.
14
El agua en el suelo y en la roca 2 EL AGUA EN LA ROCA 2.1 PERMEABILIDAD Y FLUJO DE AGUA La permeabilidad es la capacidad de transmitir agua de una roca. La mayoría de las rocas presentan permeabilidades bajas. La filtración y el flujo del agua a través de la matriz rocosa se produce a favor de los poros y fisuras, dependiendo la permeabilidad de la interconexión entre ellos y de otros factores como el grado de meteorización, la anisotropía o el estado de esfuerzos a que está sometido el material. La permeabilidad de una roca se mide por el coeficiente de permeabilidad o de conductividad hidráulica, k, que se expresa en m/s, cm/s ó m/día:
k=K(
)
donde K es la permeabilidad intrínseca, es el peso específico del agua y es la viscosidad del agua. Para flujo laminar, la ley de Darcy relaciona la cantidad de flujo Q con el gradiente hidráulico de presión durante el flujo, i:
Q=k·i·A
Puede considerarse que en la mayoría de las rocas el flujo sigue la ley de Darcy: qx =k· (dh/dx)·A
siendo q, el caudal en la dirección x, h la altura hidráulica, A la sección normal a la dirección x, k la conductividad hidráulica. Ante la dificultad en la estimación y valoración de este parámetro, sus valores se indican en órdenes de magnitud.
Las rocas, los suelos y el agua son los tres elementos naturales que constituyen el medio geológico. El agua fluye a través de suelos y rocas con mayor o menor velocidad. En función de que la roca tenga o no capacidad para transmitir agua, se denomina permeable o impermeable, dependiendo de su porosidad y de la interconexión entre los poros. La permeabilidad puede ser definida corno la capacidad del medio rocoso para que el agua fluya a través de sus huecos interconectados; se representa por el coeficiente de
15
El agua en el suelo y en la roca permeabilidad, que se expresa como una velocidad. Los valores normales para las rocas varían de 1 m/día a 1 m/año. La permeabilidad de la matriz rocosa es intergranular, y el agua se transmite a través de los poros y microfisuras interconectados de la roca, recibiendo el nombre de permeabilidad primaria. En los macizos rocosos el agua fluye a favor de las superficies de discontinuidad, y se define como permeabilidad secundaria. Por lo general, la permeabilidad de la matriz rocosa es despreciable con respecto a la del macizo rocoso fracturado. Una excepción son las areniscas y otras rocas porosas, donde sí es posible el flujo de agua a través de la matriz. Los macizos rocosos karstificados son los que presentan mayores valores de permeabilidad debido a la presencia de discontinuidades muy abiertas y cavidades producidas por la disolución de los materiales carbonatados.
En los macizos rocosos permeables se establece un nivel de agua bajo el cual los poros interconectados aparecen llenos de agua. La forma de esta superficie, el nivel freático, suele adaptarse a la de la topografía, aflorando en puntos concretos condicionado por cambios topográficos o por estructuras geológicas como las fallas. El nivel freático puede fluctuar por lluvias intensas y continuadas, bombeos y en periodos de sequía. Una baja proporción del agua de lluvia se infiltra en el terreno, y una pequeña parte de ésta, si acaso, alcanza el nivel freático. El agua subterránea aparece en condiciones de no confinamiento, pero a mayor profundidad la presencia de capas impermeables puede hacer de barrera para el movimiento del agua hacia la superficie. En estos casos el agua aparece confinada, ejerciendo presión contra los materiales impermeables.
16
El agua en el suelo y en la roca El flujo del agua en un macizo rocoso fracturado depende de la abertura de las discontinuidades y de su interconexión. Este esfuerzo aumenta con la profundidad, y a partir de un determinado nivel las discontinuidades aparecen cerradas, siendo la permeabilidad del macizo la de la matriz rocosa. La permeabilidad de la matriz rocosa se mide en ensayos de laboratorio, y la del macizo rocoso mediante la realización de ensayos in situ en sondeos.
2.2 POROSIDAD Y PESO ESPECÍFICO DE LAS ROCAS La porosidad es la relación entre el volumen ocupado por los huecos en la roca, Vv y el volumen total V (partículas sólidas + huecos): n(%) =
Es la propiedad que más afecta a las características resistentes y mecánicas, siendo inversamente proporcional a la resistencia y a la densidad y directamente proporcional a la deformabilidad, ya que la existencia de huecos puede dar lugar a zonas de debilidad. Los poros pueden ser microfisuras o grietas en la matriz rocosa. La porosidad, en general, decrece con la profundidad y con la edad de las rocas. El valor de n puede variar entre el 0 % y el 90 %, con valores normales entre 15 % y
17
El agua en el suelo y en la roca 30%. Las rocas sedimentarias carbonatadas bioclásticas y las rocas volcánicas pueden presentar valores muy elevados de porosidad, al igual que las rocas meteorizadas o alteradas.
La porosidad eficaz es la relación entre el volumen de poros interconectados y el volumen de la muestra. Puede obtenerse a partir de los pesos seco y saturado de la muestra: ne = (
En las rocas es frecuente que los poros no estén interconectados, por lo que la porosidad real será mayor que la eficaz. El índice de poros se define como la relación entre el volumen ocupado por los huecos VV, y el volumen ocupado por las partículas solidas, Vsol: e=Vv/Vsol El peso específico de la roca depende de sus componentes, y se define como el peso por unidad de volumen. Sus unidades son las de fuerza (kilopondio, newton, etc.) por volumen. En general se considera el mismo valor para el peso específico, ,y para la densidad, ( = masa/volumen), por lo que en ocasiones en la geotecnia se emplea el término densidad aunque se esté haciendo referencia al peso específico. Las rocas, a diferencia de los suelos, presentan una gran variación de valores de peso específico.
18
El agua en el suelo y en la roca
2.3 EFECTOS DEL AGUA SUBTERRÁNEA SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS El agua como material geológico coexistente con las rocas influye en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas. Los efectos más importantes son: -Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los materiales meteorizados. -Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas. -Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su resistencia. -Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidades importantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua. -Produce meteorización química y física en la matriz rocosa y en los macizos rocosos. -Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambio en la composición del agua.
19
El agua en el suelo y en la roca -El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y permitir que las piezas de rocas se muevan. -En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento de la roca será muy rápido. -La presencia de agua en las fallas geológicas y zonas de corte, influye significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavación.
Karst producido por acción de aguas subterráneas
20
El agua en el suelo y en la roca 3.Bibliografia Ingeniería Geológica. González Vallejo. Mecánica del Suelo y Cimentaciones. U.D. 1 y 2. El Terreno. Matilde González Caballero. Geología para ingenieros geotécnicos. J.C. Harvey. http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/Propiedades%20caracteristicas%20de%20los%20 suelos.pdf http://apuntesingenierocivil.blogspot.com.es/2011/02/tipos-de-suelos-y-suformacion.html http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/YM4.html
21