14 cap iii.1.capilaridad

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS

Mecánica de suelos I Cajamarca, mayo del 2011


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


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.


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


completamente. Más arriba el agua solo ocupa los

vacios pequeños y los mayores quedan con aire.


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.



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


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.


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.




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.





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.



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


• 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).


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,


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 α


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 α < 90° el menisco es cóncavo,

y si α > 90° el menisco es

convexo. El valor de α se

aproxima a 0°entre el vidrio limpio

húmedo y agua destilada


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.



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.


conoce como tensión superficial.


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.


superficie de los líquidos.


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.


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


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.


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 atracción molecular 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


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.



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


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


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


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


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.



La presión P2 en el punto M antes de

que el agua ascienda es:

P2 = pa – 2TsR

La altura capilar del agua en un tubo capilar de vidrio se dete rmina :


Además se sabe que

Cos α = rR

R = r cosα

P2 = pa – 2Ts cos αr


pero cuando asciende y se alcanza el equilibrio la presión en M1 debe ser la

atmosférica, luego se tendrá:

Presión en M1 es P2 + γw h

Pa = P2 + γw h

Luego reemplazando P2 ,se tiene

pa = pa – 2Ts cos α + γ h


pa = pa – 2Ts cos α + γw hr

u = h γw 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.


h = 2Ts cos αr γw

h = altura que debe ascender el agua en el tubo capilar

Ts = tensión superficial

r = radio del tubo capilar


r = radio del tubo capilar

α= ángulo de contacto

γw = 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)


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 α es nulo, luego:

h = 2 Ts


h = 2 Tsr

h = 2 Ts * 2 = 4 Ts = 4 Ts r * 2 2 r D

si Ts = 0.074

h = 4 * 0.074 = 0.3D 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


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.


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 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).

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