9. Permeabilidad de Suelos Granulares (Carga Constante) - Copia

Universidad Mayor de San Andrés Facultad de ingeniería Ingeniería Civil MECÁNICA DE SUELOS I CIV – 219 LAB.

PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES CARGA CONSTANTE DOCENTE: Ing. Hernán Flores FECHA: 13/Noviembre/2012

PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES CARGA CONSTANTE

1.- Objetivo:  Determinar el coeficiente de permeabilidad de suelos granulares mediante el método de carga constante, por medio de una serie de mediciones y procedimientos normalizados. 2.- Fundamento Teórico: Los suelos tienen vacios interconectados a través de los cuales el agua puede fluir de puntos de alta energía a puntos de baja energía. El estudio de flujo de agua a través de un suelo como medios porosos es importante en la mecánica de suelos, siendo necesario para estimar la cantidad de infiltración bajo varias condiciones hidráulicas, para investigar problemas que implican el bombeo de agua para construcciones subterráneas y para el análisis de estabilidad de las presas de tierra y de estructuras de relación de tierra sometidas a fuerzas de infiltración. Permeabilidad (ecuación de bernoulli) De la mecánica de fluidos sabemos que, de acuerdo con la ecuación de bernoulli, la carga total de un punto en agua en movimiento se da como la suma de las cargas de presión, velocidad y elevación.

h

u

w



v2 z 2g

Donde: H = carga total U= presión V = velocidad G = aceleración de la gravedad

 w = peso especifico del agua Note que la carga de altura Z es la distancia vertical de un punto dado arriba debajo de un plano de referencia. La carga de presión es la presión u del agua en ese punto dividida entre el peso especifico del agua. Si se aplica la ecuación de bernoulli al flujo de agua a través de un suelo medio poroso, el termino que contiene la carga de velocidad se desprecia por que la velocidad de infiltración es pequeña. La carga total en cualquier punto entonces se representa adecuadamente

Univ. GhinaVanneza Quispe Rojas

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La carga de presión en un punto es la altura de la columna vertical de agua en el piezómetro instalado en ese punto. La perdida de carga entre dos puntos. A y B, se da por

u  u  h  hA  hB   a  z A    a  zB  w  w  i

h L

Donde: I= gradiente hidráulico L = distancia entre los puntos A y B; es decir, la longitud de flujo en la que ocurre la perdida de carga

Cuando el gradiente hidráulico se incrementa gradualmente, el flujo permanece laminar en las zonas I y II, y la velocidad v asume una relación lineal respecto al gradiente hidráulico. En un gradiente hidráulico mayor, el flujo se vuelve turbulento. Cuando el gradiente hidráulico es disminuido, las condiciones de flujo laminar existen solo en la zona I. En la mayoría de los suelos, el flujo de agua a través de los espacios vacios se considera laminar; entonces

v  ai En rocas, piedras y gravas fracturadas así como arenas muy gruesas, existen condiciones de flujo turbulento, y la ecuación (6) puede no ser valida. Ley de Darcy: En 1856, Henry Philibert Gaspard Darcy publico una simple ecuación empírica para la velocidad de descarga del agua a través de suelos aturdos; se basa principalmente en las observaciones de darcy, relativas al flujo de agua a través de arenas limpias se expresa por.

v  ki Donde: v = velocidad de descarga, que es la cantidad de agua que fluye por unidad de tiempo a través de una sección transversal total unitaria de suelo perpendicular a la dirección del flujo. K = coeficiente de permeabilidad. (cm/s), (m/s) La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: viscosidad del fluido, del tamaño de os poros , distribución granulométrica, relación de vacios, rugosidad de las partículas minerales y grado


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de saturación del suelo. En los suelos arcillosos, la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son la contracción iónica y el espesor de las capas de agua a las partículas de arcilla.

tipo de suelo grava limpia arena gruesa arena fina arcilla limosa arcilla

k(cm/s) 100 - 1 1,0 - 0,01 0,01 - 0,001 0,01 - 0,00001 0,000001

Valores típicos de permeabilidad para suelos saturados El valor del coeficiente de permeabilidad k varía ampliamente para diferentes suelos. En la tabla. Se dan algunos valores típicos para suelos saturados. La permeabilidad de suelos no saturados es menor y crece rápidamente con el grado de saturación. La permeabilidad también esta relacionada con las propiedades del fluido que pasa a través del suelo por la siguiente ecuación:

k

w K 

Donde:

 w = peso especifico del agua

 = viscosidad del agua K = permeabilidad absoluta. La permeabilidad absoluta, K se expresa en unidades de longitud al cuadrado, es decir, en (cm^2) Determinación en laboratorio de la permeabilidad.Dos pruebas estándar en laboratorio se usan para determinar la permeabilidad hidráulica del suelo: la prueba de carga constante y la prueba de carga variable. La primera se usa principalmente para suelos de grano grueso. Sin embargo para los de grano fino, las tasas de flujo a través del suelo son muy pequeñas y se prefieren por ello las pruebas de carga variable. A continuación se da una breve descripción de cada prueba.

Prueba de la carga constante.En este tipo de arreglo de laboratorio, el suministro de agua se ajusta de tal manera que a diferencia de carga entre la entrada y la salida permanece constante durante el periodo de prueba. Después de


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que se ha establecido una tasa constante de flujo el agua es recolectada en una probeta graduada durante cierto tiempo. El volumen total de agua Q recolectada se expresa como.

Q  Avt  A(ki)t Donde: A = área de la sección transversal de la muestra de suelo T = duración de la recolección del agua

i

h L

Donde: L = longitud del espécimen Se obtiene:

k

QL Aht

3. Materiales y Equipos:    

Permeámetro de carga constante Tanque de carga constante Piezómetros, con escalas en mm, para medir la altura del agua Balanza, con una precisión mínima de 0.5 g cuchara, con una capacidad de 100 g

   

Horno de secado, capaz de mantener una temperatura de 110  5o C Termómetro Cronometro Equipo de accesorio: embudos, espátulas, cuchillos etc.

4. Procedimiento:  Abrir suavemente la válvula de entrada del tanque para mantener el nivel de agua constante.


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 Esperar cierto tiempo hasta alcanzar una condición estable donde no se vea una variación de nivel apreciable en los permeámetros  Registrar las alturas iníciales h1, h2, h3 (niveles de los permeámetros),  Medir el tiempo t, que se necesita para alcanzar un volumen de flujo V del orden de 750 p00 ml  Registra la temperatura del agua contenida en el recipiente de volumen de flujo, T  Registrar las alturas finales h1, h2, y h3 (niveles de los piezómetros)  Para determinar un coeficiente de permeabilidad representativo, repetir 2 a 3 veces la prueba, es decir repetir la lectura de V utilizando el mismo tiempo y asemejando las mismas condiciones  Para completar el ensayo de permeabilidad drenar el agua de la muestra y establecer si el ensayo ha sido homogéneo e isotrópico. Cualquier línea horizontal clara u oscura es evidencia de que ha existido una segregación de finos. Muestra a ensayar:  Seleccionar mediante cuarteo una muestra representativa del suelo granular, secada al aire, con menos del 10% de material que pasa el tamiz Nº 200, en la cantidad necesaria para satisfacer los siguientes requerimientos  Realizar un análisis por tamizado en una serie completa hasta el tamiz Nº 200 en una muestra representativa del suelo antes de realizar la prueba de permeabilidad  Posteriormente, todas las partículas mayores a 19 mm (3/4”) serán separadas mediante el respectivo tamiz. Este material no será usado durante la prueba de permeabilidad,. El porcentaje de sobretamaño ha sido retirado, seleccionar por medio de cuarteo, la muestra en la cantidad suficiente para llenar 2 veces el permeámetro. Preparación de la muestra:  El permeámetro disponible tiene un diámetro de 76 mm, que limita su utilización a suelos con una tamaño máximo de partículas de 9.5 mm y a muestras con menos del 35% del material total retenido en el tamiz Nº 10  Determinar inicialmente el diámetro interior

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 Llenar la muestra en el perímetro hasta 50 mm después de la salida del tercer piezómetro. Compactar el suelo en capas delgadas y uniformes (no menos de 15 mm) hasta alcanzar la densidad relativa deseada  Una vez colocado todo el suelo hasta el nivel especificado, registrar e, peso del permeámetro mas filtro inferiores y muestra húmeda, W2  Determinar la altura H2 es de la parte superior del permeámetro hasta la muestra  Obtener la altura de la muestra (H1 – H2) y determinar el volumen de la muestra de suelo mediante la ecuación del volumen del cilindro recto  Colocar el filtro y completar con grava hasta el tope del permeámetro  Determinar el peso de la muestra, (W2 – W1) y determinar el peso unitario de la misma  Colocar la tapa superior del permeámetro, ajustando al tope para evitar espacios vacos entre la tapa y la gravilla del filtro. Sellar bien la tapa superior y ajustar el resorte.  Armar el permeámetro al sistema de mangueras y tanques  Proceder con la saturación de la muestra ya sea mediante una bomba de vacio o dejando entre lentamente agua del tanque de carga constante a través de la válvula de entrada, saturando la muestra de este modo de abajo arriba.  Abrir la válvula de salida para permitir el escape de aire, no obstante controlar la misma cuando la saturación este culminando.  Una ves que la muestra ha sido saturada y el permeámetro esta totalmente lleno de agua, cerrar las válvulas entrada y salida válvula del tanque.  En este paso se debe verificar que todo el sistema este libre de aire incluyendo los tubos que conectan a los piezómetros y los que conectan al permeámetro. Para el conducto que conecta el tanque con la válvula de entrada, se deberá sacar manguera en el extremo que se conecta con el permeámetro y dejar caer un poco de agua, luego reconectar la manguera a su lugar inicial para las mangueras piezométricas, se debe echar agua a los tubos, luego abrir las válvulas de las mangueras que conectan el permeámetro con los piezómetro y esperar su estabilización. Finalmente abrir las válvulas de entrada y salida del permeámetro (con la válvula del tanque de carga constante cerrada) y esperar un tiempo hasta que los niveles de los piezómetros se estabilicen. 5.- Cálculos: Fórmulas: Los datos obtenidos durante todo el procedimiento del ensayo son los siguientes: 1) 2) 3) 4)

Diámetro del permeámetro interno que es igual al diámetro de la muestra, D. Longitudes entre los tubos de salida a los piezómetros, L1-2, L1-3, L2-3. Longitud de la parte superior del permeámetro al inicio del filtro inferior H1 Longitud de la parte superior del permeámetro al final de la muestra, H2•


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5) Peso del permeámetro más los filtros inferiores, W1. 6) Peso del permeámetro más los filtros inferiores y la muestra húmeda, W2• 7) Pesos húmedos y secos de las muestras extraídas como representativas del suelo ensayado, para la determinación del contendido de humedad. 8) Alturas de los permeámetros antes y después de cada prueba, h1, h2, h3, h1', h2' y h3' respectivamente. 9) Tiempo de duración del ensayo de cada prueba, t. 10) Volumen del flujo de agua el ensayo de cada prueba, V. 11) Temperatura del ensayo de cada prueba, T. Los datos que debe conocerse del suelo son: 12) Gravedad específica de los sólidos, que .debe hallarse mediante el respectivo ensayo. En caso de no tener podrá usarse el valor teórico de Gs = 2,65. Los datos que deben calcularse son: 13) Peso húmedo de la muestra ensayada, W 14) Humedad promedio de la muestra a partir de los pesos húmedos y secos de las muestras extraídas, w%. 15) Peso seco de la muestra ensayada, Wd.

16) Peso unitario húmedo y seco de la muestra, γ y γd 17) Relación de vacíos, e.

18) Coeficiente de permeabilidad para el gradiente hidráulico que se genera entre la Todos los anteriores cálculos se obtienen de ensayos previos en nuestro caso, calculamos el porcentaje de humedad higroscópica:

Longitud de muestra L1-3, lecturas h1 y h3:


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Donde:

19) Coeficiente de permeabilidad para una temperatura de 20°C (el valor de k está generalmente dado para esta temperatura) utilizando la ecuación 18.

Donde: = Coeficiente de permeabilidad a la temperatura del ensayo T °C. Coeficiente de permeabilidad a una temperatura de 20°C. = Viscosidad del agua a la temperatura del ensayo T °C = Viscosidad del agua a una temperatura de 20°C

Procedencia: Alto Seguencoma

Proyecto: Académico

Muestra No. : 1

Operador: René Ramos

Profundidad: 2.0 (m)

Calculista: Univ. Ghina Vanneza Quispe Rojas

Extracción: Manual

Fecha: 13/Noviembre/2012

ENSAYO DE PERMEABILIDAD POR EL MÉTODO DE CARGA CONSTANTE

Densidad del Suelo húmedo [g/cm3] Porcentaje de Humedad: %h Densidad de Suelo Seco Peso Específico, Gs Relación de Vacios, e Saturación, S Longitud muestra, L [cm] Diámetro de la Muestra, D [cm] Área muestra, A[cm2] Volumen de la Muestra, V [cm3] Peso de la Muestra, Wd [g] Peso de la Tara [g]


7,58 23,87 15,45 2,65 0,83 111,70 7,11 3,35 8,81 62,67 967,99 2287,00

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CARGA CONSTANTE Carga, h [cm] Cantidad de agua en tiempo t, V [cm3] Tiempo, t [seg] Temperatura de ensayo [ºC] Factor de Corrección Permeabilidad a la temperatura de ensayo [cm/seg] Permeabilidad a la temperatura normalizada 20ºC [cm/seg]

Peso de la muestra Húmeda + Tara [g] Peso de la Muestra Seca + Tara[g] Peso de la Tara [g] Peso del Agua [g] Peso seco de la Muestra

1 2 3 193 193 193 70 71 71 600 600 600 20 20 20 1 1 1 0,000487618 0,00049458 0,00049458 0,000487618 0,00049458 0,00049458

627,31 535,84 152,56 91,47 383,28

0,00049226

6. Conclusiones:  Este ensayo es importante, ya que gran parte de los criterios de aceptación de suelos para ser utilizados en bases o sub bases de carreteras presas de tierra o diques, drenajes, etc., depende de este análisis.  El valor de k nos da como resultado un suelo con de arcilla limosa, el cual no es apto para construcción de carreteras, ya que la arcilla puede dañar la estructura del mismo, no obstante para determinar esto sería conveniente realizar el ensayo de equivalente arena para determinar la cantidad de arcilla que tiene este suelo.


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