Análisis THM de la interacción suelo-atmósfera en suelos arcillosos sometidos a desecación

Abstract

Coupled processes between the soil and the atmosphere control soil water evaporation in its first stage, which leads to soil shrinkage and cracking by drying. However, soil-atmosphere interaction has received little attention from the Soil Mechanics point of view. Therefore, the objective of this thesis is to simulate drying processes in soils with a boundary condition which reproduces the atmosphere behaviour. The interaction model used in the investigation is based on the surface energy balance equation. A summary of the main atmospheric phenomena involved is presented. In order to understand the soil response under atmospheric variables, TH sinthetic drying simulations have been calculated by changing wind, radiation and air temperature. The models used are HYDRUS-1D and CODE_BRIGHT, which yield similar results. In addition to radiation, wind is shown to be an efficient surface drying system because of turbulent diffusion. The evaporative demand of the air determines the response of the soil, mainly trough relative permeability, which controls the water supply to the surface. THM simulations of desiccating very fluid soil samples have been carried out as well. In all cases, the applied method reproduces well the experimental measures. The method consists in increasing the diffusion and replicates the self-weight consolidation. The former one extends the constant rate of evaporation, and the second one explains the soil saturation during the first days. The simulations present two novel aspects. In one hand, one sim ulation reproduces a laboratoy drying test with a perimeter crack. The results show that evaporation through the crack is negligible. On the other hand, a simulation of a drying test in real conditions has been performed by applying flows as a boundary condition obtained from a decoupled meteorological model. Although the results have not been as expected, new future lines of research are open. Finally, evaporation test results performed to check wether relative evaporation may be greater than one are shown. The results are not conclusive, but the wind and their angle of incidence invite to future tests to elucidate whether this is the reason why relative evaporation from soils is greater than that of free water.

Los procesos acoplados entre el suelo y la atmósfera gobiernan la evaporación de agua desde el suelo en la etapa inicial, lo que conduce a la retracción y agrietamiento del suelo por desecación. Sin embargo, la interacción sueloatmósfera ha sido poco tratada desde el punto de vista de la Mecánica de Suelos, por lo que el propósito de la tesis es simular procesos de desecación en suelos con una condición de contorno que reproduzca el comportamiento atmosférico. El modelo de interacción escogido es la ecuación de balance de energía en la superficie. Para entender el significado de sus términos se ha hecho un resumen de los principales fenómenos atmosféricos que involucra. Con objeto de conocer la respuesta del suelo ante las variables atmosféricas se han calculado casos TH sintéticos que simulan la desecación ante cambios de viento, radiación y temperatura del aire. Para ello se han utilizado los modelos HYDRUS‐1D y CODE_BRIGHT, que arrojan resultados similares. Además de la radiación, el viento se muestra como un eficiente mecanismo de secado de la superficie gracias a la difusión turbulenta. La demanda evaporativa del aire condiciona la respuesta del suelo, principalmente, a través de la permeabilidad relativa, que regula el suministro de agua hacia la superficie. Posteriormente, se han hecho simulaciones THM de ensayos de desecación de muestras de suelo inicialmente muy fluidas. En ambos casos, el método aplicado se ajusta a las medidas experimentales y consiste en aumentar la difusión y reproducir la consolidación por peso propio. El primero prolonga la tasa constante de evaporación, y el segundo explica que el suelo permanezca saturado los primeros días. Las simulaciones tienen dos aspectos novedosos. En una se reproduce la desecación de un ensayo de laboratorio con una grieta perimetral. Los resultados indican que la grieta tiene una contribución casi nula en la evaporación. Por otra parte, la simulación de un ensayo en condiciones reales también se ha hecho aplicando flujos obtenidos de un modelo meteorológico desacoplado como condición de contorno. Aunque los resultados no han sido satisfactorios, se abren interesantes líneas futuras de investigación. Por último, se muestran los resultados de ensayos de evaporación ejecutados para comprobar si la evaporación relativa puede ser mayor a la unidad. Los resultados no son concluyentes, pero la presencia de viento y su ángulo de incidencia sobre la superficie abren la puerta a futuros ensayos para dilucidar si es la causa de tasas de evaporación mayores que las del agua libre.

Els processos acoblats entre el sòl i l'atmosfera governen l'evaporació d'aigua des del sòl en la seva etapa inicial, el que condueix a la retracció i esquerdament de sòls per dessecació. No obstant això, la interacció sòl‐atmosfera ha estat poc tractada des del punt de vista de la Mecànica de Sòls, de manera que el propòsit de la tesi és simular processos de dessecació en sòls amb una condició de contorn que reprodueixi el comportament atmosfèric. El model d'interacció escollit és l'equació de balanç d'energia a la superfice, i per entendre el significat dels seus termes s'ha fet un resum dels principals fenòmens atmosfèrics que involucra. Per conèixer la resposta del sòl davant les variables atmosfèriques s'han calculat casos TH sintètics que simulen la dessecació davant canvis de vent, radiació i temperatura de l'aire. Per a això s'han utilitzat els models HYDRUS‐1D i CODE_BRIGHT, que donen resultats similars. A més de la radiació, el vent es mostra com un eficient sistema per assecar la superfície gràcies a la difusió turbulenta. La demanda evaporativa de l'aire condiciona la resposta del sòl, principalment, a través de la permeabilitat relativa, que regula el suminsitre d'aigua cap a la superfície. Posteriorment, s'han fet simulacions THM d'assaigs de dessecació de mostres de sòl inicialment molt fluïdes. En tots dos casos, el mètode aplicat s'ajusta a les mesures experimentals i consisteix a augmentar la difusió i en reproduir la consolidació per pes propi. El primer perllonga la taxa constant d'evaporació, i el segon explica que el sòl romangui saturat els primers dies. Les simulacions tenen dos aspectes nous. En una es reprodueix la dessecació d'un assaig de laboratori amb una esquerda perimetral. Els resultats indiquen que l'esquerda té una contribució gairebé nul·la en l'evaporació. Per altre banda, la simulació d'un assaig en condicions reals també s'ha fet aplicant fluxos obtinguts d'un model meteorològic desacoblat com a condició de contorn. Tot i que els resultats no han estat satisfatoris, s'obren interessants línies futures de recerca. Per últim, es mostren els resultats d'assajos d'evaporació executats per comprovar si l'evaporació relativa pot ser major a la unitat. Els resultats no són concloents, però la presència de vent i el seu angle d'incidència sobre la superfície obren la porta a futurs assajos per dilucidar si és la causa de taxes d'evaporació més grans que les d'aigua lliure.