Presión del agua intersticial

La presión de agua intersticial (a veces abreviada como pwp ) se refiere a la presión del agua subterránea contenida en el suelo o la roca , en los espacios entre las partículas ( poros ). Las presiones de agua intersticial por debajo del nivel freático del agua subterránea se miden con piezómetros . En general, se puede suponer que la distribución de la presión de agua intersticial vertical en los acuíferos es cercana a la hidrostática .

En la zona no saturada ("vadosa") , la presión de poro se determina por capilaridad y también se denomina tensión , succión o presión mátrica. Las presiones de agua de poro en condiciones no saturadas se miden con tensiómetros , que funcionan permitiendo que el agua de poro entre en equilibrio con un indicador de presión de referencia a través de una copa de 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.

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 provoca 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 por encima del punto medido.
• Presión osmótica : agregación no homogénea de concentraciones de iones , que provoca una fuerza en las partículas de agua a medida que se atraen según las leyes moleculares de atracción.
• Presión de absorción : atracción de las partículas del suelo circundante entre sí por las películas de agua adsorbidas.
• Succión matricial : rasgo definitorio 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 el bloque general de suelo y se define como la diferencia entre la presión del aire intersticial, , y la presión del agua intersticial, . ^[2]${\displaystyle (u_{a})}$${\estilo de visualización (u_{w})}$

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 un suelo seco, las partículas en este punto experimentan una tensión total en la parte superior igual a la profundidad subterránea (5 metros), multiplicada por el peso específico del suelo. Sin embargo, cuando la altura del nivel freático local está dentro de dichos cinco metros, la tensión total sentida cinco metros por debajo de la superficie se reduce por el producto de la altura del nivel freático en el área de cinco metros y el peso específico del agua, 9,81 kN/m^3. Este parámetro se denomina tensión efectiva del suelo, y es 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 de un suelo de su tensión efectiva. Una representación correcta de la tensión en el suelo es necesaria para realizar cálculos de campo precisos en una variedad de oficios de ingeniería. ^[3]

Cuando no hay flujo, la presión de poro en la profundidad, h _w , debajo de la superficie del agua es: ^[4]

${\displaystyle p_{s}=g_{w}h_{w}}$,

dónde:

• p _s es la presión del agua intersticial saturada (kPa)
• g _w es el peso unitario del agua (kN/m ³ ),

${\displaystyle g_{w}=9,81kN/m^{3}}$ ^[5]

• h _w es la profundidad debajo del nivel freático (m),

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 se eleva 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 a menudo emplean transductores de presión electrónicos para proporcionar datos. La Oficina de Recuperación de los Estados Unidos tiene un estándar para monitorear la presión del agua en una masa rocosa con piezómetros. Cita ASTM D4750, "Método de prueba estándar para determinar los niveles de líquido del subsuelo en un pozo de sondeo o de monitoreo (pozo de observación)". ^[7]

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 . De manera realista, la tensión efectiva es mayor que la tensión total, ya que la presión del agua intersticial en estos suelos parcialmente saturados es en realidad negativa. Esto se debe principalmente a la tensión superficial del agua intersticial en los huecos a lo largo de la zona vadosa que causa un efecto de succión sobre 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 de la succión mátrica, siguiendo la relación descrita por la curva característica del 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; De todas formas, la altura de esta zona de ascenso capilar, donde la presión negativa del agua intersticial es generalmente máxima, se puede aproximar con precisión mediante una ecuación simple. 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, más ascenderá el agua debido a las fuerzas de tensión. Los suelos arenosos consisten en material más grueso con más espacio para huecos y, por lo tanto, tienden a tener una zona capilar mucho menos profunda que los suelos más cohesivos, como las arcillas y los limos . ^[8]

Si el nivel freático está a una profundidad d _w en suelos de grano fino, entonces la presión de poro en la superficie del suelo es: ^[4]

${\ Displaystyle p_ {g} = -g_ {w} d_ {w}}$,

dónde:

• p _g es la presión de agua intersticial no saturada (Pa) al nivel del suelo,
• g _w es el peso unitario del agua (kN/m ³ ),

${\displaystyle g_{w}=9,81kN/m^{3}}$

• d _w es la profundidad del nivel freático (m),

y la presión de poro a la profundidad, z , debajo de la superficie es:

${\ Displaystyle p_ {u} = g_ {w} (z-d_ {w})}$,

dónde:

• p _u es la presión del agua intersticial no saturada (Pa) en el punto, z , debajo del nivel del suelo,
• z _u es la profundidad debajo del nivel del suelo.

Un tensiómetro es un instrumento utilizado para determinar el potencial hídrico mátrico ( ) ( tensión de humedad del suelo ) en la zona vadosa. ^[10] Una norma ISO , " Calidad del suelo - Determinación de la presión del agua intersticial - Método del tensiómetro", ISO 11276:1995, "describe métodos para la determinación de la presión del agua intersticial (mediciones puntuales) en suelos saturados e insaturados 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 intersticial como "la suma de las presiones mátrica y neumática". ^[11]${\displaystyle \Psi _{m}}$

La cantidad de trabajo que debe realizarse para transportar de manera reversible e isotérmica una cantidad infinitesimal de agua, idéntica en composición al agua del suelo, desde un estanque a la altura y la presión externa del gas del punto considerado, hasta el agua del suelo en el punto considerado, dividida por el volumen de agua transportada. ^[12]

La cantidad de trabajo que debe realizarse para transportar de manera reversible e isotérmica una cantidad infinitesimal de agua, idéntica en composición al agua del suelo, desde un estanque a presión atmosférica y a la altura del punto considerado, a un estanque similar a una presión de gas externa del punto considerado, dividida por el volumen de agua transportada. ^[12]

• Erosión interna
• Meteorización por heladas
• Ingeniería geotécnica
• Potencial hídrico
• Ingeniería de pozos