DETERMINACIÓN DE PERMEABILIDAD DE CARGA CONSTANTE

UNIVERSIDAD AUTONOMA “JUAN MISAEL SARACHO” FACULTAD DE CIENCIAS INTEGRADAS VILLAMONTES

DETERMINACION DE PERMEABILIDAD DE CARGA CONSTANTE 1. INTRODUCCION La permeabilidad o impermeabilidad es la capacidad de un material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable. Se entiende por permeabilidad a la facilidad de movimiento de un flujo a través de un medio poroso. La permeabilidad puede definirse como la velocidad del flujo producida por un gradiente hidráulico unitario. Presión de poros: poros: Expresión utilizada comúnmente para referirse a la presión interna o presión del agua en los poros del suelo. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:  la porosidad del material;  la densidad del fluido considerado,  afectada por su temperatura; la presión a que está sometido el fluido. Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material. La permeabilidad en el Sistema Métrico Decimal se mide en cm2 o m2. La unidad derivada de la Ley de Darcy es el darcy , y habitualmente se utiliza el milidarcy : Conversión:

Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la l a filtración. Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estanque es preciso aplicar técnicas de construcción especiales.

ING. PETROLEO Y GAS NATURAL UNIVERSITARIO: RAUL SUXO C.

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2. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA 2.1. OBJETIVO GENERAL 

Determinar a través del permeámetro que permita realizar la carga constante de permeabilidad de diferentes tipos de materiales en el paso del flujo a la estratificación del sustrato de un suelo.

2.2. OBJETIVO ESPECIFICO 

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Analizar y comprender el comportamiento del suelo cuando es sometido a un caudal de agua constante. Obtener información de un material acerca de sus condiciones hidráulicas e hidrogeológicas en lugares donde se ubique la cimentación de una obra proyectada. Determinar el tiempo que se tarda el agua en atravesar la masa del suelo. Calcular el valor de permeabilidad.

3. MARCO TEORICO

3.1. PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE En el método de permeámetro de carga constante se coloca una muestra de suelo inalterada bajo la carga hidráulica constante, para medir el flujo a través de la muestra saturada, el arreglo de la muestra es de manera que el flujo sea vertical de abajo hacia arriba.

3.2. PROCESO DE CÁLCULO El valor de k se obtiene a partir de las ecuaciones de Darcy, midiendo el volumen que filtra en un determinado tiempo, longitud de la muestra, su carga y el área de la sección transversal, usando la ecuación:

Dónde: K= Conductividad hidráulica Q= Flujo de agua a través de la muestra L= Longitud de la muestra A= Área de la muestra =Carga hidráulica

3.3. Generalidades acerca del flujo de agua en suelos. Al tratar con el tema de permeabilidad de los suelos, es necesario mantener en Mente los conceptos más importantes referentes al estado energético del agua del


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UNIVERSIDAD AUTONOMA “JUAN MISAEL SARACHO” FACULTAD DE CIENCIAS INTEGRADAS VILLAMONTES Suelo. Existen varios fenómenos que tienen relación directa con la permeabilidad de los suelos; ya que la permeabilidad es un valor altamente sensible que depende de La naturaleza del suelo, de sus características mecánicas y de las fuerzas de Superficie cuando el tamaño de partícula principal es el correspondiente a finos. 3.4. Fenómeno capilar en suelos El fenómeno capilar en suelos es la respuesta a las fuerzas de cohesión y adhesión que se generan en los líquidos en la interfase con un cuerpo sólido. En esta sección se presentan los mecanismos asociados al fenómeno capilar en suelos. 3.5. Coeficiente de permeabilidad Hallar el coeficiente de permeabilidad de un suelo es fundamental para la elaboración de los cálculos relacionados con ramas de la ingeniería civil, tales como geotecnia, hidrología, mecánica de suelos, etc. Hay dos tipos de procedimientos para determinar la permeabilidad de los suelos: indirectos y directos. 4.6. Gradiente Hidráulico El gradiente es el incremento de una variable entre dos puntos del espacio, en relación con la distancia entre esos dos puntos; si la variable considerada fuera la altitud de cada punto, el gradiente sería la pendiente entre los dos puntos considerados, en éste caso en particular, ésta pendiente recibe el nombre de gradiente hidráulico. Darcy encontró que el caudal que atravesaba el permeámetro es linealmente proporcional a la sección y al gradiente hidráulico. Cabe aclarar que, en laboratorio, los permeámetros se sitúan verticalmente para facilitar la evacuación del aire contenido inicialmente en el material poroso.

representan los extremos de una línea de filtración dentro de una muestra de suelo, en cada extremo de la misma se ha colocado un tubo piezómetrico para indicar el nivel al que el agua se eleva en dichos puntos. Para cualquier punto en la muestra, por ejemplo el punto b, la carga total h b se define como: Dónde: = Carga de posición en b respecto de un plano arbitrario.  /= Carga por presiones neutras. = Presión neutra en b / Peso específico del agua  2/ 2= Carga por velocidad


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UNIVERSIDAD AUTONOMA “JUAN MISAEL SARACHO” FACULTAD DE CIENCIAS INTEGRADAS VILLAMONTES  =Velocidad  =Aceleración de gravedad

4.7. Ley de Darcy y el coeficiente de permeabilidad . Basándose en sus trabajos sobre la mecánica de fluidos, el ingeniero francés Henry Darcy1 ) descubrió que existe una relación entre la cantidad de agua que fluye a través de una superficie, el área de esta superficie y el gradiente hidráulico, Algunos ejemplos para los rangos del coeficiente de permeabilidad “k” (en m/s) para distintos tipos de suelo no consolidados se muestra la Tabla 1:

4.8. Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos La permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes tanto al suelo como a características del fluido circulante. Los principales son: Las fuerzas de superficie. La porosidad. La tortuosidad de los vacíos del suelo. La relación de vacíos del suelo. La temperatura del fluido y suelo. La viscosidad del fluido en movimiento. La estructuración del suelo. La humedad del suelo. Las fuerzas de superficie. La porosidad. La tortuosidad de los vacíos del suelo. La relación de vacíos del suelo. La temperatura del fluido y suelo. La viscosidad del fluido en movimiento. La estructuración del suelo. La humedad del suelo. 4.8.1. Valores del coeficientes de permeabilidad en distintos suelos 

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4.8.2. VARIACION DE VISCOSIDAD CON RESPECTO ALA TEMPERATURA TEMPERATURA[0C] VISCOSIDAD(P) 0 0.01785 5 0.01519 10 0.01306 15 0.0139 20 0.01003 25 0.00893 30 0.008 4.8.3. CLASIFICACION DE LOS SUELOS SEGÚN SU COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD. GRADO DE PERMEABILIDAD VALOR DE K(CM/SEG) TEXTURA DEL SUELO >10-1 ELEVADA GRAVA A MEDIA GRUESA 10-1-10-3 GRAVA FINA, ARENA MEDIA A MEDIA FINA, DURAS BAJA

10-3-10-5

MUY BAJA IMPERMEABLE

10-5-10-7 <10-7

ARENA MUY FINAS, SM, LIMOS A LOES LIMO DENSOS ML, ARCILLA CL A CH HOMOGENEO

5. EQUIPO             

Permeámetro de carga constante. Baso precipitado de 1000 ml. Probeta de 100 ml. Termómetro. Cronometro. Pisón metálico. Tamices. Regla métrica Pisometro Balanza analítica Tanque de agua Embudo con manguera Calibre pie de rey universal

6. MATERIALES  

Muestra de suelo de 2182.68 gr. Agua.

7. PROCEDIMIENTO     

Tamizar la muestra de suelo. ( Pasa el Tamiz #30 y retiene el #50 ) Colocar el suelo en tres capas. Dar 10, 14 y 18 golpes en cada capa, con el pisón. Medir la longitud de la muestra. A continuación conectamos el aparato a la manguera, mediante la cual se va a dejar caer


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UNIVERSIDAD AUTONOMA “JUAN MISAEL SARACHO” FACULTAD DE CIENCIAS INTEGRADAS VILLAMONTES agua al aparato a una altura determinada, que también se toma para el análisis de datos, el caudal debe ser continuo y sin burbujas, luego de mantener el caudal constante se empiezan a tomar tiempos. Seguimos el procedimiento que a continuación se indica 1. Una vez instalado el aparato se lo provee de una carga constante de agua al recipiente con escape de modo que sigue se tenga u nivel constante de agua. 2. Determinar la masa de la muestra y la masa del baso precipitado 1000ml. 3. Determinar y registrar el diámetro interior y la sección transversal del permeámetro. 4. Colocar la muestra de suelo en el permeámetro. 5. Determinamos y registramos la muestra L en el interior de la muestra de suelo en la que se conoce los valores de la carga hidráulica. 6. Conectamos el recipiente con la muestra de suelo saturado mediante una manguera a la entrada de agua del permeámetro en su parte inferior. 7. Se lo provee de una carga constante de agua al recipiente con escape de modo que sigue se tenga u nivel constante de agua, hasta que el permeámetro se escurra por la manguera, produciéndose el desagüe del mismo. 8. Al igual que el caso anterior, se tomaron los tiempos de vaciado del recipiente para ciertos volúmenes en la probeta graduada, además de tomar las mediciones necesarias para los correspondientes cálculos. 9. Determinamos y registramos la temperatura a la cual se encuentra el agua en el recipiente durante el ensayo. 

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8. CALCULOS DATOS:

Wprobeta

265,74 gr

Wprobeta+muestra(1)

1484,90 gr

Wprobeta+muestra(2)

1225,27 gr

Tiempo

1,54 min

Longitud

8,5 cm

Altura

18,2 cm

Volumen

600ml

92,4 seg.

2cm h1

8,5cm

h2

10,5cm

Diametro

12cm

Determinando Area

A=0,78539D^2 reemplazando datos

A=0,78539(12)^2 A=113,097 Cm^2


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Calculando el caudal del fl uIido (Q)

Q= V/t Q= 600Cm3/92,4seg

Q=6,494Cm3/seg Determinado la pe rmeabilidad (K)

k=Q*L/A*H*t K=(6,494Cm3/seg.*8.5Cm) /(113,097Cm2*18,2Cm*92,4seg. K=1,9x10^-4 Cm/seg. Calculando porosidad de la muestra Wprobeta=256,74 WprobetaTotal=(256,74+256,74)gr

calculando densidad d=m/V d=2196,69gr/600Cm3

Wprobetatotal=513,48gr

d=3,661gr/cm3 calculando volumen de M

Wprobeta+muestra(1)

1484,90gr

Wprobeta+muestra(2)

1225,27gr

VM=m/d VM=2196,69/3,661 VM=600,0245Cm3

Wprobeta+muestraTotal1484,90gr-1225,27gr Wprobeta+muestraTotal2710,17gr

Calculando Volumen de poro

Wmuestra=(2710,17-513,48)gr

VT=Vp+VM

Wmuestra=2196,69gr

Vp=(2196,69-600,0245)Cm3

Vp=1596,665Cm3


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UNIVERSIDAD AUTONOMA “JUAN MISAEL SARACHO” FACULTAD DE CIENCIAS INTEGRADAS VILLAMONTES calculando porosidad Porosidada=Vp/VT Porosidada=1596,66Cm3/2196,69Cm3 Porosidad=0,72*100 Porosidad=72% Por ultimo determinamos permeabibil dad por diferencia de alturas

K=6,494Cm3/seg.*8,5Cm/113,097Cm2*2Cm

K=0,24Cm/Seg

9. CONCLUSIONES 

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Los resultados que se obtuvieron en la práctica fueron los suficientes para determinar la muestra de suelo mediante el permeámetro de carga constante, el tiempo que se tarda el agua en atravesar la masa del suelo es 92.4 segundos y una permeabilidad de 2,94x10-4 Cm/seg. , se demostró mediante el tabla de clasificación de los suelos según su coeficiente de permeabilidad pertenece a baja permeabilidad mediante rango de permeabilidad y textura del suelo, arena muy fina, limo y presenta una viscosidad de 0,0008poises al respecto a su temperatura de 30°C del fluido obtenido. El permeámetro de carga constante es una medida directa y completa de la permeabilidad del suelo, muchos la definen de la siguiente manera, este permeámetro de carga constante de permeabilidad: como velocidad de flujo, cuando el gradiente hidráulico es unitario. La permeabilidad no es más que la mayor o menor facilidad con que el agua atraviesa la sección del suelo. La permeabilidad depende principalmente de la granulometría de un suelo. La magnitud del coeficiente de permeabilidad depende de la viscosidad del líquido, tamaño, área y forma de los conductores en la cual fluye el agua. La permeabilidad es una propiedad mecánica del suelo. Reportando siempre K30 = K, y la temperatura específica para el respectivo diseño que realicemos, son puntos importantes que no debemos olvidar. El permeámetro de carga constante se usa para suelos permeables suelos gruesos como: arena y gravas limpias El permeámetro de carga variable se usa para suelos menos permeables , suelos gruesos como : gravas, arenas limosas, arenas arcillosas y hasta limos

10. UTILIDAD DE LA PRÁCTICA 

Conociendo los valores del permeámetro de carga constante de permeabilidad y su respectiva temperatura, nos proporciona una valiosa información, todos estos factores y su buena interpretación se puede basar el diseño de presas, diques, filtros, etc., en la vida profesional es muy importante, a razón por la cual se dará un tratamiento especial a estos cálculos.

11. RECOMENDACIONES 

La permeabilidad no depende de la cantidad de poros de la muestra de suelo que tengamos,


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si no de su granulometría. Para efectuar estos ensayos las muestras deben estar saturadas. Estos procedimientos no deben hacerse con muestras de arcillas. Medir en cada intervalo su respectiva temperatura porque la viscosidad es una función de esta. Se recomienda realizar ensayos con otros tipos de suelos para fines de interpretación.

12. BIBLIOGRAFÍA   

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GUÍA ACADÉMICA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS 1, paginas 86-96 de 203 Juárez Badillo, Mecánica de Suelos, Tomo I, Fundamentos de la Mecánica de Suelos, México, Editorial Limusa, PAG: 150-155 de 642 ASTM, 2006b, Standard Test Method ASTM D5084 - 03 Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter, Book of Standards Volume: 04.08. ASTM, 2006a, Standard Test Method ASTM D2434-68) Standard Test Method for Permeability of Granular Soils (Constant Head), Book of Standards Volume: 04.08. 2006 AMERICAN STANDAR TESTING MATERIALS “Annual book of ASTM Standards”. 04.08. 2000

13. ANEXOS Fig. 1.Permeametro de carga constante

Fig. 2. Muestra de suelo

Fig.3.Tamices #30 y #50 Fig. 4. Compactación de la muestra


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UNIVERSIDAD AUTONOMA “JUAN MISAEL SARACHO” FACULTAD DE CIENCIAS INTEGRADAS VILLAMONTES Fig. 5. Medición de la permeabilidad

Fig. 6. Volumen del fluido

Fig. 7. Determinación del tiempo de caída del fluido, temperatura

Fig. 8. Balanza analítica y probeta de 100ml y embudo


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