Prueba de erosión de agujeros

El ensayo de erosión por orificio (HET, por sus siglas en inglés) es un método utilizado en ingeniería geotécnica para cuantificar la resistencia de un suelo a la erosión , y es particularmente relevante para el tema de la erosión interna en presas de terraplén . El ensayo se puede realizar en un laboratorio sobre una muestra de suelo remoldeado y proporciona estimaciones tanto del esfuerzo cortante crítico para la erosión de la muestra de suelo como una medida numérica de la erosionabilidad del suelo . ^{[ 1 ]} En el diseño e ingeniería de presas de terraplén, el esfuerzo cortante crítico proporcionado por este ensayo indica el esfuerzo cortante máximo que un fluido (como el agua) puede aplicar a un suelo antes de que se forme una fuga concentrada y comience la erosión. La medida numérica de la erosionabilidad del suelo se puede utilizar para predecir la velocidad de progresión de esta erosión y se puede encontrar como entrada en diversas simulaciones por computadora para fallas de presas . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

La prueba estándar de erosión por agujero consiste en compactar primero la muestra de suelo en un molde estándar . Luego,  se perfora un pequeño agujero (normalmente de 6 mm) longitudinalmente a través del suelo. ^{[ 1 ]} A continuación, se ajusta la carga hidráulica aguas abajo a un valor estándar y se elige la carga hidráulica aguas arriba inicial mediante ensayo y error . A medida que el líquido (normalmente agua) fluye a través del agujero, el suelo debería erosionarse y el agujero se expandirá. El caudal debe medirse durante todo el procedimiento. Inmediatamente después de la prueba, se debe medir el diámetro del agujero.

La tensión cortante hidráulica a lo largo de la superficie del agujero en el instante t se puede calcular como: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle \tau =\rho g{\frac {\Delta h}{L}}{\frac {\Phi _{t}}{4}}}$

donde ρ es la densidad del líquido, g es la aceleración gravitatoria , Δh es la diferencia de carga hidráulica a través de la muestra, L es la longitud de la muestra y Φ _t es el diámetro del orificio en el tiempo t.

Aunque el diámetro del orificio no se mide directamente durante la prueba, se puede estimar utilizando el caudal medido y un factor de fricción estimado . ^{[ 1 ]} A partir del cambio en el diámetro del orificio a lo largo del tiempo, la tasa de erosión se puede graficar en función del esfuerzo cortante hidráulico aplicado y ajustar a la siguiente ecuación: ^{[ 1 ] [ 4 ]}

${\displaystyle E_{r}=k_{d}(\tau -\tau _{c})}$

donde E _r es la tasa de erosión a lo largo del tiempo, k _d es la erosionabilidad del suelo y τ _c es el esfuerzo cortante crítico para la erosión .

Una crítica al ensayo estándar de erosión de orificios es que el uso de la carga hidráulica en lugar de la carga total implica que el cambio en la carga de velocidad es despreciable, lo cual puede no ser una suposición válida dadas las velocidades a veces elevadas aguas abajo del orificio. La diferencia en la carga hidráulica utilizada para calcular el esfuerzo cortante tampoco considera la energía disipada debido a la recirculación del flujo y las pérdidas por expansión aguas abajo de la muestra de ensayo. Además, se ha informado que estimar el diámetro del orificio a lo largo del ensayo utilizando un factor de fricción supuesto resulta problemático. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El ensayo de erosión de agujeros modificado (HET-P) busca corregir estos problemas con la adición de un tubo pitot-estático . ^{[ 4 ]} Esto permite la medición directa de la carga hidráulica total, teniendo en cuenta así la pérdida total de energía entre los extremos aguas arriba y aguas abajo de la muestra de suelo. Si bien el diámetro del agujero todavía no se mide directamente durante todo el ensayo, el tubo pitot-estático proporciona una estimación independiente de la velocidad media del flujo, que luego se puede utilizar para calcular el diámetro del agujero de manera más directa utilizando la ecuación de continuidad .

Los resultados de la prueba de erosión de orificios modificada arrojan valores significativamente menores para la tensión de corte crítica; esto hace que los resultados de la prueba sean más consistentes con otras pruebas, como la prueba del cilindro giratorio o la prueba de erosión por chorro .