informe 001- Permeabilidad

UNIVERSIDAD ANDINA NÉSTOR CÁCERES VELÁZQUEZ-FILIAL AREQUIPA CAP: INGENIERÍA CIVIL

PERMEABILIDAD DEL SUELO

CURSO: MECÁNICA DE SUELOS II

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ENSAYO DE PERMEABILIDAD PERMEABILI DAD DEL SUELO..................................................................... ........................................................................... ...... 3 1.2 OBJETIVOS ..................................................................... ..................................................................................................................................... ................................................................ 4 ........................................................................................................ 4 1.2.1 OBJETIVOS GENERALES .........................................................................................................

1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................................. ..................................................................................................... .................... 4 1.3 MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 4 1.3.1. PERMEABILIDAD PERMEABILIDAD ....................................................................................................... ........................................................................................................................ ................. 4 1.3.2 VALORES DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD EN DISTINTOS SUELOS ............ 5 1.4 MÉTODOS PARA MEDIR EL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD .................................... .................................... 6 1.4.1

METODOS DIRECTOS .......................................................................................................... ......................................................................................................... 6

1.4.1.1

PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE. ................................................................ ............................................................... 6

1.4.1.2

...................................................................... ............................... 7 PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE .......................................

1.4.2 1.4.2.1

METODOS INDIRECTOS ...................................................................................................... ..................................................................................................... 9 MÉTODO A PARTIR DE LA CURVA GRANULOMÉTRICA. ....................................... 9

1.4.3

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO EN SITU EN CAMPO ................................................ 11

1.4.4

............................................................................................... ............................. 12 RECOLECCIÓN DE DATOS ..................................................................

1.4.5

CALCULO REALIZADO: ......................................................................... ...................................................................................................... ............................. 13


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ENSAYO DE PERMEABILIDAD DEL SUELO REFERENCIA ASTM D2434 (Cargas Constante) ASTM D5084 (Carga Variable)

INTRODUCCIÓN El presente informe nos a conocer los medios más sencillos y comunes utilizados para la “PERMEABILIDAD “PERMEABIL IDAD DEL SUELO IN SITU” (en el mismo lugar), es muy útil para todos nosotros como futuros ingenieros civiles el saber los diferentes tipos de ensayos de permeabilidad. Los suelos y las rocas no son sólidos ideales, sino que forman sistemas con 2 ó 3 fases: partículas sólidas y gas, partículas sólidas y líquido, o bien, partículas sólidas, gas y líquido. El líquido es normalmente agua y el gas se manifiesta a través de vapor de agua. Por lo tanto, se habla de medios “porosos”. A estos medios se los caracteriza a través de su “porosidad” y a su

vez esta propiedad condiciona la permeabilidad del medio o del material en estudio. Se dice que un material es permeable cuando contiene vacíos continuos, estos vacíos existen en todos los suelos, incluyendo las arcillas más compactas, y en todos los materiales de construcción no metálicos, incluido el granito sano y la pasta de cemento, por lo tanto, dichos materiales son permeables. La circulación de agua a través de la masa de éstos obedece aproximadamente aproximadame nte a leyes idénticas, de modo que la diferencia entre una arena limpia y un granito es, en este concepto, solo una diferencia de magnitud. La permeabilidad de los suelos, es decir la facultad con la que el agua pasa a través de los poros, tiene un efecto decisivo sobre el costo y las dificultades a encontrar en muchas operaciones constructivas, como los son, por ejemplo, las excavaciones excavaciones a cielo abierto en arena bajo agua o la velocidad de consolidación de un estrato de arcilla bajo el peso de un terraplén, de allí la importancia de su estudio y determinación, aspectos que se desarrollarán a continuación

Antes de empezar a describir los procedimientos procedimientos para la identificación de suelos es necesario, aclarar ciertas características y tomar criterios de las normas en ASTM D2434 (Cargas Constante), ASTM D5084 (Carga Variable)


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1.2

OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVOS GENERALES 

Aprender los procedimientos procedimientos experimentales experimentales para calcular el coeficiente de permeabilidad del suelo utilizando permeámetros de carga constante y de carga variable.



Poder determinar el coeficiente de permeabilidad con su debida corrección (k 20)

1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

1.3



Analizar e interpretar interpret ar los resultados resultado s obtenidos en la práctica.



Determinar la permeabilidad de un suelo fino.



Determinar la permeabilidad de un suelo grueso.

MARCO TEÓRICO

1.3.1. PERMEABILIDAD La permeabilidad es la capacidad de una masa de suelo o terreno de permitir el flujo de líquidos a través de un gradiente hidráulico. En el diseño de cimentaciones, por lo general lo único que es necesario saber es la permeabilidad en condiciones de saturación. Las permeabilidades de casi todos los tipos de suelo son muy variables y dependen en gran medida de variaciones relativamente pequeñas de la masa edafológica. Puesto que generalmente depende del tamaño y la continuidad del espacio poroso del suelo y, en consecuencia, del tamaño de las partículas de éste, la permeabilidad es típicamente una propiedad anisotrópica cuyo valor es más alto en la dirección horizontal que en la vertical. Los valores de permeabilidad de las distintas clasificaciones del suelo o terreno varían por un factor de más de 10 millones, lo que se ha constatado directamente por medio de pruebas de permeabilidad en el campo o en el laboratorio, e indirectamente por pruebas de consolidación y análisis del tamaño de las partículas. Las mejores cuantificaciones se obtienen con pruebas de bombeo en pozos a cielo abierto en el campo. La permeabilidad constituye constitu ye una de las propiedades más importantes, que modifican el comportamiento del suelo, de allí su estudio. La permeabilidad es la mayor o menor facilidad con que el agua atraviesa el suelo Depende de varios factores, factores , como: la relación de vacíos, es decir el tamaño de los poros y su forma de la partículas, todo esto está en función de la la granulometría granulometría Es necesario estudiar el flujo de un fluido en medios porosos, y este estudio se estableció mediante la LEY DE DARCY, encontrando una ley donde para un flujo laminar se produce velocidades pequeñas y suelos de partículas de tamaño de grava y menores en donde se puede determinar la siguiente ecuación : CURSO: MECÁNICA DE SUELOS II

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dv Q = ----- =

KAi

donde : K = coeficiente coeficient e de permeabilidad. permeabilidad .

Dt

A= área de la sección transversal. transvers al. I = gradiente hidráulico. hidráulico.

La constante K es llamado coeficiente de permeabilidad, es una medida directa y completa de la permeabilidad del suelo y se lo define como la velocidad del flujo, cuando el gradiente hidráulico es unitario. V = ki

1.3.2 VALORES DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD EN DISTINTOS SUELOS La tabla I, expresa valores del coeficiente de permeabilidad y formas de determinarlo, determinar lo, relacionándolo con las condiciones de drenaje c y el tipo de suelo.

TABLA I: Valores de k en cm/seg 100

10

Drenaje

Determinación indirecta de k

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

Prácticamente impermeable Arenas limpias y Arenas muy finas, limos Suelos “imper mezclas limpias de orgánicos e inorgánicos, meables”, es dearena y grava mezclas de arena, limo y arcilla, cir, arcillas homomorenas glaciares, depósitos géneas situadas de arcilla estratificada por debajo de la zona de descomposición Suelos “impermeables”, modificados por la vegetación o la descomposición.d Bueno

Tipo de Grava suelo limpia

Determinación directa de k

1

Pobre

Ensayo directo del suelo “in situ” por

ensayos de bombeo. Se requiere mucha experiencia, pero bien realizados son bastante exactos. Permeámetro de carga hidráulica constante. No se requiere mayor experiencia. Permeámetro de Permeámetro de carga hicarga hidráulica dráulica decreciente. decreciente. No Resultados dudosos. Se se requiere requiere mucha mayor experiencia. experiencia y se obtienen buenos resulta-dos Por cálculo, partiendo de la curva granulométrica. Sólo aplicable en el caso de arenas y gravas limpias sin cohesión.


Permeámetro de carga hidráulica decreciente. Resultados de regular a bueno. Se requiere mucha experiencia.

Cálculos basados en los ensayos de consolidación. Resultados buenos. Se necesita mucha experiencia

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En el intervalo en que se aplica la ley de Darcy, la velocidad es directamente proporcional al gradiente hidráulico y el flujo es laminar. Como vemos la permeabilidad es una propiedad mecánica de los suelos. Existe varios métodos para llegar a la determinación de esta constante de proporcionalidad y son los más utilizados los siguientes :

1.4 MÉTODOS PARA PARA MEDIR EL COEFICIENTE COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD El coeficiente de permeabilidad de un suelo es un dato cuya determinación correcta es de fundamental importancia para la formación del criterio del proyectista en algunos problemas de Geotecnia y, en muchos casos, para la elaboración de sus cálculos. Hay varios procedimientos procedimientos para la determinación de la permeabilidad de los suelos: unos directos, así llamados porque se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de tal coeficiente; y otros indirectos , proporcionados, proporcionados, en forma f orma secundaria, por pruebas y técnicas que primariamente primariamente persiguen otros fines. Estos métodos son los siguientes: siguientes:

Directos:

Permeámetro de carga constante Permeámetro de carga variable Prueba directa de los suelos en el lugar

Indirectos: Indirect os:

Calculo a partir de la curva granulométrica Calculo a partir de la prueba de consolidación Calculo con la prueba horizontal de capilaridad

1.4.1 METODOS DIRECTOS 1.4.1.1

PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE.

Ofrece el método más simple para determinar el coeficiente de permeabilidad de ese suelo. Una muestra de suelo de área transversal A y longitud L conocidas, confinadas en un tubo, se somete a una carga hidráulica h. El agua fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad (en cm3) que pasa en un tiempo t. El gradiente hidráulico permanece constante a lo largo de todo el periodo del ensayo. Los niveles de agua superior e inferior se mantienen constante por desborde, con lo cual h permanece constante, pues depende solamente de esa diferencia de niveles. La cantidad de agua que pasa se recoge en una bureta graduada. Conocidos los valores Q, h, L, A, se calcula el coeficiente de permeabilidad.


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El inconveniente del permeámetro es que, en suelos poco permeables, el tiempo de prueba se hace tan largo que deja de ser práctico usando gradientes hidráulicos razonables, además de tener una incidencia muy importante en los resultados los fenómenos de evaporación.

1.4.1.2

PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE

En este tipo de permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. En la figura, vemos dos dispositivos típicos, el (a) usado en suelos predominantemente finos, y el (b) apropiado para materiales más gruesos.

Esquemas de permeámetros de cargas variables Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra. CURSO: MECÁNICA DE SUELOS II

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Donde:

a: área del tubo vertical de carga A: Area de la muestra L: Longitud de la muestra h1: carga hidráulica al principio de la prueba h2: carga de hidráulica al final de la prueba hc: altura de ascensión capilar, que debe deducirse de la lectura total del tubo de carga. t: tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h1 a h2

considerado el tiempo dt, la cantidad de agua (cm3) que atraviesa la muestra será, según la Ley de Darcy: dv= kAi dt = kA h/L dt (1)


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Los permeámetros y concretamente el de carga variable, puede utilizase sólo en suelos relativamente permeables, generalmente arenas y limos o mezclas de esos materiales, no plásticos. La permeabilidad de arcillas se determina en laboratorio, con la prueba de consolidación. La razón es que la baja permeabilidad de las arcillas daría lugar a tiempos de prueba tan largos que la evaporación y los cambios de temperatura producirían errores de mucha consideración. El realizar la prueba de permeabilidad en muestras inalteradas no sólo es importante en arcillas, sino también en suelos arenosos o limosos poco o nada plásticos. Estos suelos están, con frecuencia, notoriamente estratificados y, por lo tanto, la realización de la prueba en muestras alteradas dará una idea totalmente errónea de la permeabilidad del suelo natural. De estos suelos ligeramente plásticos se obtienen muestras inalteradas en sondeos de poco costo; éstas pueden usarse en pruebas para determinar el coeficiente de permeabilidad en dirección paralela y normal a la dirección de la estratificación.

1.4.2 METODOS INDIRECTOS 1.4.2.1

MÉTODO A PARTIR DE LA CURVA GRANULOMÉTRICA.

Desde hace tiempo se ha tratado de establecer correlaciones entre la granulometría de un material y su permeabilidad. Es obvio que existen razones para creer que pudiera establecerse tal correlación; en suelos arenosos gruesos, los poros entre las partículas minerales son relativamente grandes y por ello la permeabilidad resulta comparativamente alta; en suelos de menores tamaños, los poros y canalículos entre los granos son más pequeños, por lo cual estos materiales son de menor permeabilidad. Desgraciadamente, en la práctica, estas correlaciones tiene un valor muy limitado, sobre todo debido al hecho de que otros factores, aparte del tamaño, ejercen notoria influencia en el valor del coeficiente en estudio; estos factores se han resistido, hasta la actualidad, a ser introducidos en una fórmula única, por lo tanto no hay ninguna que los tome en cuenta de un modo aceptable. Así pues, las expresiones, que a continuación se detallan deben verse como una manera muy tosca de valuar la permeabilidad de un suelo y de ningún modo sustituye los métodos más precisos, que son más complicados y costosos, en todos los casos de querer tener un correcto valor de k. Prácticamente todos los métodos del tipo en estudio siguen la fórmula clásica de Allen Hazen :k = C D210 (cm/seg)en donde k es el coeficiente de permeabilidad buscado en cm/seg y D10 (cm) es el diámetro efectivo de Hazen. Hazen obtuvo su fórmula experimentando con arenas uniformes con diámetro efectivo comprendido entre 0,1 y 3,0 mm; en estos suelos C varió entre 41 y 146.El valor 116 suele mencionarse como un promedio aceptable de las experiencias efectuadas por Hazen. Sin embargo se ve, en primer lugar, la fórmula es inaplicable a la mayoría de los suelos, que quedan fuera del tipo de los experimentos realizados; y en segundo lugar, aun para esos suelos, la variación de la constante C resulta excesiva para que la fórmula sea muy confiable. La temperatura influye en el valor de la permeabilidad, por alterar la viscosidad del agua. Tomando en cuenta ese factor, la fórmula anterior puede modificarse de la siguiente manera : k = C ( 0.7 + CURSO: MECÁNICA DE SUELOS II

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0.03 t ) D10 2 (cm /seg) donde t: temperatura en ºCOtros investigadores han propuesto otras fórmulas de correlación. Schlichter, por ejemplo, tomó en cuenta, además de la temperatura, la compacidad en la siguiente expresión: 10 ( 0.7 + 0.03 t ) (cm/seg)c es una función de n que responde a los valores de la K = 7712D c 10 tabla Nº 1

ANEXOS


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1.4.3 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO EN SITU EN CAMPO

Limpieza de terreno 0.80 x 0.80

EXCAVACIÓN Limpieza de terreno 0.80 x 0.80

Se escaba un hoyo de 40cm de altura


Llenado de agua al hoyo Pag. 11


Diámetro de 0.20 cm

Medida de altura

1.4.4 RECOLECCIÓN DE DATOS


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F ormula para para ca c alcular lcular el coefic i ente de permeabili permeabilida dad d =

∗ ∗∗

Donde: V= volumen promedio drenado L= distancia en el interior de la muestra de suelo H= perdida de carga hidráulica total entre los puntos 1 y 2, bajo la cual se produce la infiltración A= Area de la sección sección transversal de de la muestra t= tiempo necesario para que el volumen del agua atraviese la muestra.

1.4.5 CALCULO REALIZADO:  =

 =

∑ℎ 

=

  4

=

(20) 4

= 314.159 

(34.4 + 31.4 + 30.5 + 30.5 + 30.5) 5

= 31.460 

)(31.460)) = 9883.442   =  ∗    = ( = (314.159 314.159 )(31.460

=

.  ∗  .  ∗ .  ∗ 


= .  / /

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Se concluye que el suelo es una arena limpias y mezclas limpias de arena y grava.


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informe 001- Permeabilidad

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