Presiones de Filtración y Gradiente Hidráulico Crítico

Si el nivel libre del agua se conserva en el borde del recipiente y se baja el depósito, se produce pronto un flujo establecido; de acuerdo con las condiciones ilustradas en la fig. 2.4b. Como el depósito y el tubo flexible se comunican con el fondo del recipiente, la presión intersticial en el fondo del recipiente puede expresarse como:

Esta fórmula representa una disminución de h γw en la presión del agua de los poros, en comparación con la condición mostrada en la fig. 2.4a. Se advierte que esta disminución no puede atribuirse a la velocidad de circulación del agua, debido a que la carga de velocidad v^2/2g es despreciable para velocidades comparables a las más elevadas que se encuentran en los depósitos de suelos naturales. Por lo tanto, la presión total en el fondo del recipiente se determina únicamente por el peso del suelo y del agua que están arriba del mismo. Como resultado, la presión efectiva debe aumentarse en h7 respecto al valor indicado en la fig 2.4a. Por lo tanto, en el plano ab, el aumento proporcional en la presión efectiva es igual a h γw(z/H). El aumento en presión efectiva debido al flujo de agua se conoce con el nombre de presión de filtración. Es el resultado del empuje por fricción del agua corriente sobre los granos del suelo.

Se advierte que la pérdida de carga entre la parte superior del material granular y la profundidad z es hz/H. El gradiente hidráulico correspondiente i es h/H. Por lo tanto, la presión de filtración puede expresarse como izγw, y la presión efectiva a la profundidad Z es:

Si se eleva el depósito arriba del recipiente, de manera que se tenga un flujo ascendente a través del material granular (fig. 24c), la presión intersticial en el fondo del recipiente se aumenta en la cantidad hγw. Por lo tanto, la presión efectiva en el plano ab se reduce a:

Aumentando el gradiente hidráulico ascendente puede incrementarse la presión de filtracion a zγ’, con lo que la presión efectiva p se hace cero. Esto ocurre cuando:

El gradiente hidráulico para el cual la presión efectiva se hace cero se denomina gradiente hidráulico crítico ic. Bajo estas condiciones, un suelo sin cohesión no puede soportar ningún peso sobre su superficie.

Además, al aproximarse el gradiente hidráulico al valor crítico, el suelo se hace mucho más suelto, y aumenta el coeficiente de permeabilidad k. Por tanto, si se hace una excavación en un suelo sin cohesión, bajo el nivel freático, a una profundidad tal que la presión efectiva se reduzca a cero, se observa una agitación visible de los granos del suelo. Este fenómeno se conoce como condición de arena movediza. La mayor parte de las arenas movedizas son el resultado de esta condición hidráulica especial.