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ÍNDICE
Definición de aguas freáticas --- Reconocimiento de aguas freáticas
Congelamiento de Aguas en el Suelo --- Efectos del congelamiento --- Soluciones al problema
Capilaridad de Aguas Freáticas --- Problemas de Capilaridad en la construcción
Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad --- Muros de retención y el nivel freático
Taludes y el Nivel Freático --- El nivel freático en excavaciones
Definición de Aguas Freáticas
Cuando tenemos una masa de suelo, esta estará constituida por una parte de material sólido, otra parte por líquidos, y otra parte por gases. Pero si empezamos a bajar de la superficie de la tierra, empezamos a ver que cada vez va a ver mayor contenido de agua, hasta el punto que el contenido de aire es totalmente ocupado por el agua, en este punto donde hallamos solo parte sólida, y parte de agua, la llamamos Nivel Freatico.
Las aguas Freáticas, son entonces las aguas que encontramos cuando el suelo esta saturado, y están por debajo de este nivel freático.
Este nivel freático es muy variable, y encontramos que en el verano, cuando el calor se hace más intenso, el nivel freático baja, por el proceso de evaporación que genera el calor en el verano. Así también encontramos que el nivel freatico en el tiempo de lluvia, sube, y puede llegar hasta muy altos niveles, es decir a muy poca profundidad, el sitio donde empiezan las aguas freáticas, pudiendo ser un factor importante en la construcción, al modificar los suelos en los que construimos.
Reconocimiento de Aguas Freáticas
En el campo podemos conocer el nivel del agua freática abriendo un hueco en la tierra, de tal manera que podamos ver dentro de el (50 x 50 centímetros), y esperar que el nivel del agua se estabilice. De esta forma podemos después de una hora mas o menos, que el nivel donde tenemos el agua será el nivel freático. Esto también lo podemos saber en el laboratorio, después de sacar una muestra de Suelo, el cual lo podemos extraer con un cilindro, el cual hincamos en la tierra, y luego le damos un giro para poder cortar abajo, de donde se extrae luego un cilindro de tierra, el cual podemos analizar, y saber el punto donde el suelo esta saturado, de esta forma, midiendo la distancia de la superficie de la tierra, al punto donde el suelo esta saturado, hallamos el Nivel Freático.
El punto donde el suelo esta saturado de agua, se puede hallar por medio de el ensayo de Contenido de Humedad, el cual nos permite saber, que porcentaje de agua hay en los vacíos del suelo, y cuando este porcentaje sea el 100%, querrá decir que este suelo esta saturado, estando dentro de las aguas freáticas.
Congelamiento de Aguas en el Suelo
El principal problema de el agua en los suelos, a bajas temperaturas, es que al llegar a su punto de congelamiento, esta aumenta su volumen, generando unos esfuerzos residuales, en el suelo, y en las partes donde hay mucho tiempo de heladas, se generan unas grandes hojas de hielo dentro del suelo, el cual, al cambiar el clima, y subir la temperatura, este hielo empieza a deshielarse, quedando unos huecos en el suelo por causa de la filtración del agua en la tierra, causando asentamientos de las estructuras que estén cimentadas sobre el suelo en cuestión.
También se debe tener en cuenta, el tipo de suelo que se tiene, ya que si tenemos un suelo fino, el agua freática subirá por capilaridad a la masa de suelo superior, generando mayor probabilidad de congelamiento, al estar mas expuesta al frío de la superficie. También, si tenemos una grava o una arena limpia, el agua puede filtrarse, por medio de los espacios vacíos que hay en estos materiales, bajando el nivel freático, y disminuyendo la probabilidad de congelamiento de el agua freática.
Si tenemos limos o arenas limosas en estado de saturación (puede ser bajo el nivel Freático), el efecto de la congelación del agua depende mucho de la manera en que baja la temperatura. Si el enfriamiento es rápido, se provoca la congelación llamada in situ, la cual consiste en capas gruesas de hielo, en medio de la masa de suelo. Si el enfriamiento es lento, el agua se agrupa en pequeñas capitas d hielo, las cuales son paralelas a la superficie expuesta al enfriamiento, lo cual genera una alteración de suelo helado y estratos de hielo.
Cuando encontramos bloques de hielo limpio en la masa de suelo, significa la migración del agua que hay en los intersticios del suelo, a estas masas de hielo. Esta agua, puede ser absorbida por capilaridad, de una masa de suelo inferior, la cual se encuentra dentro del nivel Freático. La forma de evitar esta migración de agua, hacia estos centros de hielo, puede ser, colocando una capa de grava gruesa, por encima del nivel Freático, lo cual genera la detención de la subida del agua por capilaridad, debido a que la grava, tiene unos intersticios muy grandes, no permitiendo la capilaridad del agua dentro del suelo.
Efectos del congelamiento
Como se dijo anteriormente, al congelarse el agua, esta aumenta su volumen, generando una separación entre las partículas sólidas, y por ende aumentando el número de los vacíos. Hay suelos en los cuales no se siente tanto el cambio de volumen del agua, por causa del su congelamiento, como es el caso de la grava, o la arena, cuyo valor límite de aumento de volumen, según la experiencia, es de un 10% del volumen inicial de los vacíos. En caso de suelos que sean susceptibles a la helada, tenemos que la expansión puede ser mucho mayor al 10%, de esta manera viéndose afectada cualquier estructura que este cimentada sobre estos suelos. Pero el problema del congelamiento no solo queda en la expansión que genera, si no que también hay un gran problema cuando este hielo se descongela. Al descongelarse este hielo, se empieza a asentar de nuevo el terreno, al disminuir el volumen del agua que empieza su proceso de deshielo, además de que empieza a filtrarse el agua que anteriormente había subido por capilaridad, asentándose más el suelo que se encuentra bajo esta situación. También se genera el colapso de las cápsulas de hielo, que ahora son de aire, rebajando la resistencia del suelo. Esto se puede ver con facilidad en autopistas y aeropistas.
Cuando el suelo que se congela, esta formando taludes, la acción de la helada, si el material no es susceptible a la helada, produce un desplazamiento de las partículas normal a la superficie del talud. Al llegar el deshielo, estas partículas tienen un desplazamiento vertical, produciéndose un desplazamiento neto hacia el pie del talud.
Si tenemos el suelo, retenido por un muro de retención de tierra, la congelación del agua, produce un aumento de volumen, lo que genera un aumento en la presión que esta soportado el muro, y si esta presión se repite varias veces, o es muy elevada, se puede llegar al colapso del muro. Si el muro es de concreto, el colapso puede llegar por esfuerzo cortante entre el muro, y su loza de cimentación.
Soluciones al problema
Hay varias formas de solucionar los problemas relacionados con el efecto del congelamiento de los suelos, dentro de las cuales tenemos:
- Substitución de los suelos susceptibles a la helada por otros no susceptibles, hasta la profundidad necesaria para llegar a niveles más abajo que la penetración del efecto climático.
- Hacer un drenaje adecuado para bajar el nivel Freático a una profundidad mayor que la altura máxima de ascensión capilar del suelo.
Excavar hasta el punto donde llega la helada, y colocar un material que no permita la capilaridad, como grava, por lo tanto no permite la subida de aguas freáticas por capilaridad.
Capilaridad de Aguas Freáticas
Conocemos el proceso de capilaridad como el ascenso que tiene un liquido al estar en contacto con las paredes de un tubo de diámetro pequeño. Si tomamos la masa de suelo, como un gran conjunto de poros, los cuales están comunicados, tendríamos una gran red de tubos capilares, los cuales permiten el efecto de capilaridad del agua freática. Al subir el agua por un tubo capilar, esta produce unos esfuerzos de tensión en la parte superior de el agua que esta dentro del tubo capilar. Esto se puede explicar teniendo como base la hidrostática: (figura 1) Si tenemos que tomamos una presión relativa, teniendo como origen la presión atmosférica, vemos que esta presión, en el punto de la superficie del agua (no dentro del capilar) debe ser cero, y a medida que vamos bajando en el agua, la presión aumenta, linealmente, es así que si subimos del nivel donde el agua esta en contacto con el aire, la curva de presiones sigue de igual forma, dando unos esfuerzos de tensión en las partes donde se encuentra por encima de este nivel de referencia, coincidiendo esto con las partes donde tenemos el agua capilar. 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, para poder 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 gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos 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. También encontramos soluciones de aditivos para el concreto (inclusores de aire), para poder generar impermeabilidad en este, y de morteros para recubrir estructuras (sika 101) con el fin de ganar impermeabilidad.
En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático.
Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad
Si tenemos un suelo saturado, el agua estar ejerciendo una fuerza de separación entre las partículas sólidas del suelo (presión hidrostática). Luego el suelo empezara a secarse por cualquier causa, que generalmente es el calentamiento por el sol, y el agua que hay en el suelo se evaporara, y la masa de suelo tratara de tomar su nivel freático normal, de esta manera las aguas empezaran a tratar de bajar, creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce unos 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 entrara 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, bajando primero el agua que se encuentra en los canaliculos más gruesos (Especie de tubos capilares formados por los poros del suelo).
Muros de retención y el nivel freático
Los muros de retención, en la ingeniería civil, se hacen para contener tierra (llamada relleno) confinada a un espacio, sin que esta se derrumbe. Para el diseño de estos muros, se tiene debe tener en cuenta las fuerzas que sobre este actúan, donde juegan un papel muy importante las aguas Freáticas.
Dentro de las fuerzas que se toman en cuenta al calcular un muro de contención de tierras se tiene el peso del mismo, la presión que hace el relleno sobre este, la reacción de el cimiento del muro, y alguna correspondiente al nivel Freático de las aguas, dentro de los cuales tenemos:
- Fuerzas debidas a agua tras el muro: Si tenemos agua tras el muro de retención, estas aguas generaran una presión sobre este, teniéndose que tener en cuenta la presión que generara el agua freática, a la hora de hacer el diseño de un muro. Se debe tener en cuenta también que el nivel de las aguas Freáticas (nivel Freático) varia con el tiempo, generando un proceso de carga y descarga de la presión hidrostática en el muro, lo que podría generar un colapso del muro por fatiga. La solución para no bajar este nivel freático, seria el de hacer un filtro de aguas en la base del muro, para poder que el agua que hay se "escurra" por allí. También hay la posibilidad de hacer un muro completamente permeable, como es el caso de los gaviones, que son canastas de alambre, de forma cúbica, rellenas de tierra, lo cual permitiría el paso del agua y esta no generaría ninguna presión.
- Subpresiones: Cuando tenemos un mal drenaje bajo el muro, se puede almacenar agua en esta zona, produciéndose una presión de aguas freáticas bajo el muro, lo cual puede llegar al volcamiento del muro. Para esto se debe hacer un correcto drenado de las aguas en cuestión.
- Las heladas: Si tenemos agua detrás del muro, y llega un tiempo de heladas, esta agua se congelar, produciéndose un cambio en el volumen del suelo, entrando una presión adicional al sistema, la cual puede hacer colapsar el muro.
Expansiones por cambio de la humedad de la masa de suelo: Si tenemos que la masa de suelo que esta siendo sostenida por el muro esta sometida a cambios del nivel freático, la masa de suelo puede cambiar fácilmente de volumen, mas si se trata de arcillas, o limos, suelos que inducen a un cambio volumétrico al cambiar la humedad del sistema. Si tenemos una época de verano, el nivel freático estará bajo, lo cual no genera presiones laterales por cambio volumétrico del suelo, las que si entraran en el caso de que el nivel freático suba, y el suelo se expanda por la acción de la humedad. Este cambiar volumétrico, generara un ciclo de carga y descarga en el muro, el cual al cabo de varios ciclos, puede fallar por fatiga. Para solucionar esto, se debe tratar de que los suelos que se tengan como relleno no sean expansivos con la humedad, y además tener un buen drenaje del sistema.
Taludes y el Nivel Freático
Cuando tenemos en la construcción de algunas obras civiles taludes, como es el caso más común de las carreteras, aquí también hay influencia del nivel freático. Si en una época de invierno el nivel freático sube, el suelo que contiene al talud, llega a pesar más por el peso del agua, pudiendo haber un derrumbe del talud en cuestión. También hay que tener en cuenta que el agua, por la presión que genera en el suelo, tiende a separar las partículas sólidas del suelo, produciendo grietas, que en algunos sitios, pueden producir el colapso del talud. También se debe tener en cuenta la acción de las heladas aquí, ya que el talud cambiara de volumen, como se explico anteriormente.
Se debe tener en cuenta que clase es de la que esta compuesta el talud. Si tenemos arcillas plásticas, o limos, es muy probable que por la acción del agua freática, estos limos o arcillas ganen plasticidad, perdiendo resistencia al corte, lo que generaría el colapso de este talud.
Para evitar los colapsos de los taludes, se debe tener un buen drenaje de este, el cual abatirá el nivel freático, disminuyendo la posibilidad de falla por aguas freáticas. Se recomienda hacer filtros dentro del talud, el cual sacará el agua de este. Estos filtros se deben diseñar para las épocas de invierno, ya que en ese momento los niveles freáticos suben y se corre el mayor de los riesgos de colapso de la estructura en cuestión.
También se hace necesario hacer un drenaje por debajo del talud, ya que la presión en ese punto puede ser tal que produzca el volcamiento del talud, por eso se recomienda en los taludes con problemas de niveles freáticos, tener subdrenes, los cuales eviten esta clase de colapsos.
El nivel freático en excavaciones
Muchas veces en la ingeniería civil, es necesario hacer excavaciones por debajo del nivel freático, lo que puede generar varios problemas si se tiene un suelo permeable, el cual permita que la excavación que se haga, se llene de agua, lo que generaría unas velocidades del agua freática, arrastrando material del suelo a la excavación también, estando sucio siempre la excavación
Hay varias formas de abatir el nivel freático. La más común de ellas es hacer una zanja colectora del agua en la excavación, donde se coloca a bombear el agua hacia otra parte fuera de la excavación. Se debe tener en cuenta que los volúmenes de agua que se deben bombear son muy grandes, ya que el nivel freático siempre tratara de estar constante, lo que puede incrementar los costos de una obra determinada.
Otra de las formas para abatir el nivel freático es la de hacer una serie de pozos al rededor de la excavación, los cuales sacaran el agua de la tierra, bajando el nivel freático en esos puntos, y si tenemos la excavación en medio de estos puntos, el nivel freático de la excavación será abatido. También podemos pensar en hacer una excavación, la cual después de realizada (bajo agua), se puede impermeabilizar, y luego si secar el contenido de agua que queda dentro de esta excavación. Cuando se utiliza este método se debe tener en cuenta la presión que genera el agua tanto lateral como inferior de la excavación, ya que se puede producir el colapso de el suelo de la excavación por el levantamiento del mismo, o el colapso de uno de los muros de contención Se pueden generar muchas otras formas de abatimiento del nivel freático, pero esto realmente se debe determinar al tener el problema real en la obra, y ver todas las variables que esto implica.
