Fundamentos de Hidrogeología y Geotecnia: Acuíferos, Capilaridad y Permeabilidad del Suelo

Conceptos Fundamentales en Hidrogeología y Geotecnia

Este documento aborda preguntas clave relacionadas con la hidrogeología y la geotecnia, explicando conceptos esenciales como los tipos de acuíferos, los problemas de capilaridad en suelos y el funcionamiento del permeámetro.

Tipos de Acuíferos: Características, Diferencias y Niveles Piezométrico/Freático

Para comprender el comportamiento del agua subterránea, es fundamental conocer los distintos tipos de acuíferos y sus propiedades.

Tipos de Acuíferos

• Acuíferos Libres: En este tipo de acuífero, el agua se encuentra rellenando los poros o fisuras por acción de la gravedad. La superficie superior del agua se denomina superficie freática. Cuando esta superficie es interceptada por un pozo, el nivel que alcanza el agua en dicho pozo se conoce como nivel freático de ese punto.
• Acuíferos Confinados: Aquí, el agua se encuentra bajo presión, atrapada entre dos capas impermeables. Si se extrae agua de un acuífero confinado, ningún poro se vacía; la extracción provoca una descompresión del agua y, en menor medida, una compresión de la matriz sólida. La superficie virtual que alcanzaría el agua si no estuviera confinada se denomina superficie piezométrica. En un punto específico dentro de un pozo que penetra un acuífero confinado, el nivel que alcanza el agua se conoce como nivel piezométrico.

Características y Diferencias Clave

La principal diferencia radica en la presión del agua y la forma en que se define su nivel. En los acuíferos libres, el nivel freático representa la presión atmosférica, mientras que en los acuíferos confinados, el nivel piezométrico indica una presión superior a la atmosférica debido al confinamiento.

Esquematización de Niveles Piezométrico y Freático

(Nota: Aunque no se proporciona una imagen, un esquema ilustraría claramente la diferencia entre la superficie freática en un acuífero libre y la superficie piezométrica en un acuífero confinado, mostrando cómo el nivel del agua en un pozo puede ascender por encima del techo del acuífero confinado).

Problemas de Capilaridad en Suelos Limosos-Arcillosos para Construcciones Residenciales

La construcción de una vivienda residencial de alta categoría en el AMBA sobre suelos limosos-arcillosos presenta desafíos específicos debido a la acción de la capilaridad.

Problemas Potenciales por Capilaridad

Cuando un suelo fino está saturado, el agua ejerce una fuerza de separación entre las partículas sólidas del suelo, conocida como presión hidrostática. Sin embargo, en suelos finos como los limos y las arcillas, pueden surgir problemas de contracción por capilaridad. Este fenómeno ocurre cuando el agua superficial comienza a evaporarse. La masa del suelo intenta entonces recuperar su nivel freático normal, lo que genera una presión capilar. Esta presión se traduce en esfuerzos de compresión dentro del suelo, iniciando un proceso de contracción que puede afectar la estabilidad de las cimentaciones.

Soluciones para la Prevención de Problemas por Capilaridad

Para mitigar los efectos adversos de la capilaridad en suelos finos, se pueden implementar las siguientes medidas:

• Modificación del Suelo: Reemplazar o mejorar el suelo directamente debajo de la cimentación con un material más grueso (como gravas o arenas gruesas) que tenga una menor capacidad capilar. Esto interrumpe el ascenso capilar del agua freática hacia la estructura.
• Uso de Aditivos Impermeabilizantes: Incorporar aditivos con propiedades impermeabilizantes en el hormigón de los cimientos, como los incorporadores de aire. Es crucial considerar que los cimientos estarán expuestos a fluctuaciones del nivel freático, por lo que la durabilidad y resistencia a ciclos de humectación-secado son esenciales.

El Permeámetro: Definición, Medición y Componentes

El permeámetro es un instrumento fundamental en la geotecnia para determinar una propiedad crucial de los suelos: la permeabilidad.

¿Qué es un Permeámetro?

Un permeámetro es un dispositivo de laboratorio diseñado para medir la conductividad hidráulica (o coeficiente de permeabilidad) de un material granular, como arena o suelo. Permite simular el flujo de agua a través de una muestra de suelo bajo condiciones controladas.

Componentes Típicos de un Permeámetro

Aunque existen diferentes tipos (carga constante, carga variable), un permeámetro básico de carga constante generalmente consta de:

• Un recipiente de sección constante donde se coloca la muestra de suelo a ensayar, por el que se hace circular el agua.
• Un depósito elevado de nivel constante conectado a uno de sus extremos, que asegura un suministro de agua a presión constante.
• Un grifo de regulación de caudal en el otro extremo, que permite mantener un caudal de salida constante.
• Puntos de medición (mínimo 2) para determinar la altura de la columna de agua (cargas piezométricas) a lo largo de la muestra.

¿Qué Permite Medir el Permeámetro?

El permeámetro permite medir el coeficiente de permeabilidad (k) del suelo. La ley de Darcy establece que el caudal que atraviesa el permeámetro es linealmente proporcional a la sección transversal de la muestra y al gradiente hidráulico (la pérdida de carga por unidad de longitud). La constante de proporcionalidad en esta relación es precisamente el coeficiente de permeabilidad, que es una característica intrínseca de cada tipo de suelo o material que llena el permeámetro.

Los niveles de agua en los tubos piezométricos varían al ajustar el caudal con el grifo o al modificar la altura del depósito elevado, lo que permite calcular el gradiente hidráulico y, consecuentemente, la permeabilidad.