EL AGUA EN EL SUELO TIENE DIVERSAS PRESENTACIONES. CASO DE INTERÉS: AGUA FREÁTICA #CONVERSATORIO STEM-ESPANOL

PRESENTACIÓN

Quiero comenzar este post agradeciendo a STEM-ESPANOL por el apoyo que brinda al contenido científico, donde escritores como mi persona nos sentimos acogidos. Una forma de materializar dicho agradecimiento es proponiendo actividades de difusión de conocimientos, tal como la desarrollada el pasado jueves 13 de mayo, la cual representa mi octavo conversatorio para la comunidad, con la meta de este año alcanzar los diez conversatorios. Estoy muy contento por la interacción lograda, donde profesionales de diversa índole expresan su curiosidad con aportes y preguntas de interés.

Imagen N°01: conversatorio STEM-ESPANOL

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes resaltadas en recuadro amarillo son de uso libre, extraídas del portal web de https://pixabay.com/es/

Si no pudiste asistir al conversatorio no hay problema, acá te comparto este recurso audiovisual que resume todo el conversatorio:

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

Así como también de forma escrita, las principales ideas expuestas. Por lo que enalteciendo el lema de “EDUCAR MÁS ALLÁ DE LOS MUROS DEL AULA”, disfruta de la lectura de esta publicación.

DIFERENTES TIPOS DE AGUA EN EL SUELO

De la revisión bibliográfica (mencionadas en las referencias N°01, N°02 y N°03) vi interesante clasificar los tipos de agua en función a dos grandes categorías, marcadas por la existencia o no de movimiento. En ese sentido tenemos el siguiente esquema conceptual.

Imagen N°02: diferentes tipos de agua en el suelo

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes de la izquierda son de uso libre, extraídas del portal web de https://pixabay.com/es/

De todos estos tipos de agua, centraremos la atención en el AGUA FREÁTICA, que es un tipo de agua que satura al suelo, es decir, forma parte de los suelos que se encuentran por debajo del nivel freático, destacando que el movimiento de esta agua sigue un régimen laminar, por lo que es aplicable la LEY DE DARCY. De acá surgen dos cuestiones muy importante: ¿por qué el agua se mueve? y ¿es siempre laminar este movimiento? Acá veremos como la transdisciplinaridad del conocimiento nos permitirá encontrar estas respuestas.

En relación a los demás tipos de agua, tenemos que el agua higroscópica es proveniente del aire que rodea al suelo y es la que determina la humedad del mismo siguiendo la normativa ASTM D- 2216, es decir, es el agua que se elimina cuando el suelo es sometido a ese rango de temperaturas indicado en la imagen N°02. Por su parte, el agua estructural es un agua que forma parte de la matriz del suelo, al mismo tiempo que es una porción bastante pequeña, por lo que no entra en juego para los cálculos de la humedad, además que para su eliminación se requieren temperaturas muchísimos mayores que las indicadas, llegando al extremo de calcinar el suelo, lo que trae consigo dañar la estructura del mismo, hecho que no nos interesa. Finalmente el agua capilar, asociada al fenómeno de la succión típico de los suelos finos, forma parte fundamental del campo de estudio de la mecánica de suelos no saturados, con aplicaciones muy importantes en el CBR de los suelos según la variante 7.2 de la norma ASTM D 1883, un tema muy interesante sobre el cual espero estar pronto profundizando.

TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: ¿POR QUÉ EL AGUA SE MUEVE?

El movimiento del agua en los suelos obedece en esencia a la existencia de un gradiente hidráulico “i”, el cual se caracteriza por ser adimensional puesto que proviene del cociente de una caída de potencial (Δh) para una determinada longitud de recorrido del fluido (l). Estas variables e pueden apreciar en la imagen adjunta, contextualizadas al ensayo de permeabilidad en el laboratorio.

Imagen N°03: estudio del principio de Bernoulli

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

Vemos que este gradiente hidráulico “i” es parte fundamental de la ecuación que representa la Ley de Darcy, por lo que un valor de cero (0) haría nula la velocidad de descarga (v) lo que se traduce en la no existencia de movimiento, indistintamente lo permeable que el suelo pueda ser. Ahora bien, considerando que hay un movimiento del agua a través del medio poroso que es el suelo, vamos a abordar ahora cómo es el régimen de ese flujo.

TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: ¿ES SIEMPRE EL FLUJO LAMINAR?

El indicador por excelencia para categorizar el régimen de un fluido es el famoso número de Reynolds, el cual basado en la referencia N°01 y contextualizado al flujo de agua en los suelos marca el paso de un flujo laminar a turbulento cuando su valor oscila entre uno(1) y doce (12), acotando que la ley de Darcy carece de validez cuando se llega a esta condición de flujo.

Imagen N°04: límite de validez de la Ley de Darcy

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

En ese sentido la ecuación de Reynolds nos permite definir un diámetro máximo de partículas de suelo donde la condición del movimiento del agua a través del mismo sea laminar. De allí a que en la imagen podamos apreciar el diámetro que corresponde al de una arena gruesa y propiedades del agua como la densidad y la viscosidad para una temperatura de 18°C, y una velocidad de descarga “v” que según la referencia N°01 es un tanto conservadora. Al sustituir en la ecuación indicada se tiene:

Tenemos entonces que este diámetro resaltado en color “rojo” es un diámetro crítico, y que se puede respaldar con lo que señala la referencia N°02:

En la mayoría de los suelos, el flujo de agua a través de los espacios vacíos se considera laminar. Entonces en piedras, gravas fracturadas y arenas muy gruesas se puede entrar en condiciones de flujo turbulento.

Ahora bien, estos casos donde el agua puede pasar a un régimen turbulento si bien son excepciones que hay que tener en cuenta, tenemos que estos suelos extremadamente limpios (contenido de partículas finas muy bajo) no es tan común encontrarlos de forma natural, puesto que típicamente se encuentran combinaciones de tamaños de partículas, hecho que influye en la velocidad con la que el agua se pueda mover, tendiendo así a un régimen laminar. Comprendidos los aspectos que le dan validez a la ley de Darcy, representados por un suelo saturado y régimen de agua laminar, vamos al laboratorio de Mecánica de Suelos para el estudio de la permeabilidad.

TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: ESTUDIO DE LA PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS EN EL LABORATORIO

Para la determinación de la permeabilidad de los suelos en el laboratorio destacan dos importantes métodos dependiendo de la calidad del drenaje del suelo a ensayar, es decir, si existe alta permeabilidad el drenaje es muy bueno y viceversa. En ese sentido se aprecia en el siguiente esquema conceptual los dos tipos de permeámetros que existen.

Imagen N°05: permeámetro de carga constante y carga variable

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. La imagen de la izquierda es de uso libre extraída del portal web https://pixabay.com/es/

El método de permeámetro de carga constante aplica para aquellos suelos de buen drenaje, es decir, de permeabilidades altas como las arenas gruesas; en estos casos es factible desde el punto de vista práctico medir una cantidad de volumen de agua que atraviesa al suelo en cuestión en un tiempo determinado. Ahora bien, en los casos en los que este hecho se dificulta, precisamente por la mala calidad del drenaje del suelo repercutiendo esto en una baja permeabilidad, como por ejemplo una arena fina, arcillas limosas y suelos compactados como el que se encuentra en la imagen, el método de permeámetro de carga variable es el más apropiado, centrándonos acá en registrar las variaciones de altura de agua que ocurren en un tiempo determinado. Te recomiendo la lectura de la referencia N°05 y N°06 donde se profundiza en estos métodos.

LAS ARCILLAS SON SUELOS BIEN EXQUISITOS

Noten que en los suelos señalados para el uso del permeámetro de carga variable, pase por alto a las arcillas. Y es que en estos casos, los valores de permeabilidad estimados son muy bajos (típicamente en el orden de 10e-7 cm/seg), lo que puede traer imprecisiones en el método de carga variable por pérdida de agua por evaporación, de allí a que se recomienda el uso del ensayo de consolidación.

Imagen N°06: permeabilidad de las arcillas

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

En relación a esta forma indirecta de obtener la permeabilidad estaré profundizando en una próxima publicación; resaltando de antemano lo completo que es el ensayo de Consolidación Unidimensional de los Suelos, sobre el cual te puedes comenzar a entrenar leyendo la referencia N°04 .

CONCLUSIONES

Las principales conclusiones de este compartir de conocimientos, se resumen a continuación:

01.- El agua freática es un agua que satura al suelo y su movimiento típicamente se rige por un flujo laminar (R<1). Esta condición de flujo puede variar a turbulento cuando el diámetro de las partículas supera al de una arena gruesa.

02.-En la práctica típicamente nos encontramos con suelos mixtos, resultantes de la combinación de gravas, arenas, limos y arcillas, cuya granulometría contribuye a que el flujo de agua tienda a laminar, y así se mantenga vigente la aplicación de la Ley de Darcy.

03.-La evolución del conocimiento es un proceso fascinante, lo cual acoplado con la transdisciplinaridad lo hace hasta un hecho metafóricamente mágico. Darcy en 1856 plantea su ley, y en 1925 Terzaghi la utiliza para enaltecer el aspecto científico de la Mecánica de Suelos, formulando la teoría de consolidación de los suelos.

04.-El ensayo de consolidación unidimensional de las arcillas es uno de los más versátiles, por la amplia información que del mismo se puede extraer, por ejemplo obtener de forma indirecta la permeabilidad de estos suelos.

Espero les sea de utilidad este resumen del conversatorio dictado por mi persona, el cual he preparado con mucho cariño para todos ustedes, y esperemos vengan muchos otros para seguir fortaleciendo el crecimiento de esta hermosa comunidad como lo es STEMSOCIAL. Hasta una próxima oportunidad:

@eliaschess333

FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS:

01.- BADILLO J. Y RODRÍGUEZ R. 1995. MECÁNICA DE SUELOS TOMO III. FLUJO DE AGUA EN LOS SUELOS. EDITORIAL LIMUSA S.A. GRUPO NORIEGA EDITORES

02.-BRAJA M. DAS. 2001. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA. THOMSON-LEARNING

03.- CRESPO VILLALAZ. 2008. MECÁNICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES. EDITORIAL LIMUSA. SEXTA EDICIÓN.

LECTURAS RECOMENDADAS:

04.- @eliachess333 (2018). ABORDAJE DIDÁCTICO DEL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO CON BASAMENTO EN EL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS Y LA LEY DE PERMEABILIDAD DE DARCY. PARTE I. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/ozrzfpbw

05.- @eliachess333 (2021). TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: ESTUDIO DEL CÁLCULO DE LA PERMEABILIDAD DE UN SUELO DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO Y GEOTÉCNICO. PARTE I. Disponible en: https://hive.blog/hive-196387/@eliaschess333/transdisciplinaridad-stem-estudio-del-calculo-de-la-permeabilidad-de-un-suelo-desde-un-enfoque-matematico-y-geotecnico-parte-i

06.- @eliachess333 (2021). TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: ESTUDIO DEL CÁLCULO DE LA PERMEABILIDAD DE UN SUELO DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO Y GEOTÉCNICO. PARTE I. Disponible en: https://hive.blog/hive-196387/@eliaschess333/transdisciplinaridad-stem-estudio-del-calculo-de-la-permeabilidad-de-un-suelo-desde-un-enfoque-matematico-y-geotecnico-parte-ii