ENSAYO DE PERMEABILIDAD A CABEZA CONSTANTE Y VARIABLE
PEDRO LUIS PEREZ SUAREZ LUIS EDUARDO GUZMAN PALENCIA JORGE ANDRES MONTIEL HOYOS JOSE FERNANDO ORTEGA TOVAR
ING. LEONARDO TOSCANO
UNIVERSIDAD DE SUCRE FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL GEOTECNIA I
SINCELEJO - SUCRE OCTUBRE 2017
ENSAYO DE PERMEABILIDAD A CABEZA CONSTANTE
OBJETIVOS
Conocer las propiedades hidráulicas de los suelos granulares y suelos finos
Medir la permeabilidad en los suelos granulares
Obtener el coeficiente de permeabilidad K para el suelo en cuestión.
ENSAYO DE PERMEABILIDAD A CABEZA V ARIABLE
OBJETIVOS
Medir la permeabilidad en los suelos finos (arcillas - limos) Obtener el coeficiente de permeabilidad K para el suelo en cuestión.
MATERIALES Y EQUIPOS
Permeámetro Tanque aforador Fuente de agua Buretas Cronometro Flexómetro Probetas Beaker
PROCEDIMIENTO
ENSAYO A CABEZA CONSTANTE
ENSAYO A CABEZA VARIABLE
CALCULOS Y RESULTADOS (CABEZA CONSTANTE)
Para el ensayo de permeabilidad cabeza constante se obtuvieron los siguientes valores en laboratorio:
Altura total = 202 cm Altura cilindro = 11,54 cm Diámetro del cilindro = 10,54 cm
ENSAYO
TIEMPO (seg)
1 2 3
6,94 6,63 6,71 Tabla
T. PROMEDIO
VOLUMEN (cm3) 273 6,76 seg 255 275 1: Datos obtenidos (Cabeza Constante)
V. PROMEDIO
Determinamos el área transversal de la muestra(A )
= = 10,54 = , 4 4 Determinamos el coeficiente de permeabilidad(K) Teniendo que: Q: Volumen de agua L: Longitud de la muestra A: área transversal de la muestra H: Altura Piezometrica t: Tiempo
∗11,54 = ∗ ℎ∗ ∗ = 87,25267,66 = , / ∗202 ∗6,76
267,66 cm3
Corrección por temperatura:
= ∗ Tenemos que nuestra temperatura fue 33°C, entonces tomamos la viscosidad para 30°, de la siguiente tabla:
= 0,804 /
= 1,007 / = ∗
y nos queda que: Despejamos K20 de la formula anterior,
Reemplazamos
/ =0,0259 /∗ 0,804 1,007 / = 0,0204 / Este sería nuevo valor de coeficiente de permeabilidad a cabeza constante
CALCULOS Y RESULTADOS (CABEZA VARIABLE)
Para el ensayo de permeabilidad cabeza variable se obtuvieron los siguientes valores en laboratorio: Area de la Bureta = 1,54 cm2 Altura del cilindro = 11,54 cm Diámetro del cilindro = 10,54 cm Altura del cilindro al punto = 67 cm En nuestro caso, tenemos una diferencia de altura de 20 cm ENSAYO
h1
1 2 3
73 73 73
h2
Tiempo T. Volumen (seg) Promedio (cm3) 53 60 17 58,35 seg 53 58,32 17,6 53 56,75 16 Tabla 2: Datos obtenidos (Cabeza Variable)
Determinamos el área transversal de la muestra(A )
= = 10,54 = , 4 4 Determinamos el coeficiente de permeabilidad(K)
ℎ1 = 2,3∗∗ ∗ ∗log ℎ2 1,54 ∗ 11,54 ∗log 73 = 2,3 ∗87,25 ∗58,35 53 = , /
V. Promedio
16,53 cm3
Corrección por temperatura:
= ∗ Tenemos que nuestra temperatura fue 33°C, entonces tomamos la viscosidad para 30°, de la siguiente tabla:
= 0,804 /
= 1,007 / = ∗
y nos queda que: Despejamos K20 de la formula anterior,
Reemplazamos
/ = 0,00116 / ∗ 0,804 1,007 / = 0,000926 / Este sería nuevo valor de coeficiente de permeabilidad a cabeza variable
ANALISIS DE RESULTADOS
Tomando como referencia la siguiente tabla podemos identificar o clasificar a qué tipo de suelo corresponden los estratos analizados.
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE SUELOS NATURALES TIPO DE SUELO COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD Arcilla < 10⁻⁹ Arcilla arenosa 10⁻⁹ a 10⁻⁸ Limo 10⁻⁸ a 10⁻⁷ 10⁻⁹ a 10⁻⁶ Turba Arena fina 10⁻⁶ a 10⁻⁴ 10⁻⁴ a 10⁻³ Arena gruesa Arena gravosa 10⁻³ a 10⁻² > 10⁻² Grava Tabla 6. Coeficientes de permeabilidad Fuente Tabla 6: Mecánica de suelos, Peter Berry.
Después de calcular K para ambos estratos de suelo, se deduce que el estrato de suelo usado para el ensayo de cabeza constante corresponde a una arena gravosa y el estrato usado para el ensayo de cabeza variable corresponde a una arena fina, según la tabla 6. Luego podemos establecer el grado de permeabilidad, usando nuevamente el coeficiente de permeabilidadK Grado de permeabilidad
Valor de K (cm/s)
Elevada
Superior a 10 -1
Media
10 -1 a 10 -3
Baja
10 -3 a 10 -5
Muy baja
10 -5 a 10 -7 Menor de 10 -7
Práctic. Impermeable Tabla7. Grado de
permeabilidad
Fuente Tabla 7: Wikipedia
A partir de la tabla anterior se puede apreciar que la muestra de suelo usada para el ensayo de cabeza constante tiene un grado de permeabilidad Media, y la muestra usada para el ensayo de cabeza variable tiene una permeabilidad Baja.
CONCLUSIONES
El valor de K depende de la forma, el tamaño y la distribución de sus partículas, de esto se infiere que la constante está dada en función del tamaño de los poros. La granulometría realizada al material influye bastante, porque lo componen partículas de tamaño uniforme hace que existen más vacíos o poros por donde fluye el agua.
Con el coeficiente K de permeabilidad promedio de la muestra analizada en cabeza constante se pudo comparar con una tabla teórica y se concluyó que el tipo de material analizado es una arena gravosa. Con el coeficiente K de permeabilidad promedio de la muestra analizada en cabeza variable se pudo comparar con una tabla teórica y se concluyó que el tipo de material analizado es una arena gruesa.
ANEXOS
RECOMENACIONES
Tomar atenta nota de las recomendaciones del docente para correcto uso de las herramientas de laboratorio, así como equipos y materiales para optimizar el estudio y aprendizaje.
Ser ordenado a la hora de tomar apuntes de los datos parciales que va arrojando el ensayo, una indebida recolección de datos puede ser motivo de errores al momento del trabajo de oficina.
Tener en cuenta que el espesor del cilindro, ya que muchas veces se confunde con las dimensiones externas, cuando realmente se necesita su volumen interno.
GUIA SUGERIDA 1. ¿Qué es la permeabilidad? ¿Qué unidades se usa para expresarla?
La permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de permitir el paso del agua a través de sus vacíos, se expresa a través del coeficiente de permeabilidad, el cual es una constante de proporcionalidad que se determina mediante la experimentación en el laboratorio o in situ. La permeabilidad del suelo suele medirse en función de la velocidad del flujo de agua a través de éste durante un período determinado. La unidades para permeabilidad son unidades de velocidad cm/s o m/s. 2. ¿Puede dar alguna relación empírica para medir la permeabilidad de los suelos? ¿Es aplicable a todos los suelos?
Fórmula de Terzaghi, en su fórmula para el cálculo del coeficiente de permeabilidad introduce una constante que tiene en cuenta la porosidad y el tipo de suelo.
= ∙ ∙ 0,7+0,03∙ = ∙ (−0,13 1− ) √ = = Coeficientes tipos de suelo Suelo Arena grano redondeado
C0 800
Arena grano anguloso Arena con limos
460 <400
3. ¿Cuál es el objetivo del ensayo de permeabilidad de cabeza constante?
El ensayo de cabeza constante tiene como objetivo medir la permeabilidad de suelos granulares o de permeabilidad alta, ya sea arenas, gravas y/o rocas. Las limitaciones de este ensayo consisten en la utilización de muest ras que posean más del 10% de material fino. 4. ¿Es el coeficiente de permeabilidad de las are nas influido por la relación de vacíos? Explique
El coeficiente de permeabilidad me indica la facilidad de un fluido a atravesar cualquier me dio poroso. En una muestra de suelo que ha sido compactado, el volumen de solidos queda inalterado, variando solamente el volumen de vacíos, por lo que el área de los vacíos disminuye, por tanto habrá poco espacio para que se dé el desplazamiento del fluido, por lo que disminuye esta facilidad para moverse a través de la muestra.
5. ¿Cuál es el valor más pequeño del coeficiente de permeabilidad que puede ser medido en una prueba de permeabilidad de cabeza constante?
El valor más pequeño se presenta para arenas limpias donde se presenta un buen drenaje con una permeabilidad de 10-3 cm/s 6. ¿Qué otras pruebas pueden aplicarse a los suelos con permeabilidades bajas?
En suelos con gran cantidad de finos, arenas finas, limos y arcilla se aplica el ensayo de permeabilidad con carga o cabeza variable. 7. ¿Puede dar usted una expresión que tenga en cuenta los cambios de permeabilidad versus la relación de vacíos?
Ecuación de Casagrande, quien propuso una relación simple de la permeabilidad y la relación de vacíos para arenas finas y medianas limpias, a través de la siguiente formula
=1.4∙ ∙ , = , = í 0,85
Grafica de la
ecuación
8. ¿Explique tanque de constante?
el principio del presión
El
instrumento
utilizado recibe el nombre de permeámetro de carga constante. La muestra de suelo se introduce en un cilindro. En la pared lateral del cilindro existen varios puntos de conexión de manómetros para realizar diferentes lecturas de pares de cargas de presión. El agua
fluye a través de la muestra proveniente de un tanque o deposito diseñado para mantener una carga constante y la cantidad de agua se mide pesando el recipiente recolector. Puesto que la presencia de burbujas de aire puede afectar mucho los resultados, es imperativo asegurarse que el aire se haya eliminado del sistema en la medida de lo posible. Esto se lleva a cabo por una parte, suministrando agua desairada al tanque y por la otra, aplicando un vacío a la muestra antes de iniciar la prueba. El flujo se continúa hasta lograr un estado estable o de flujo establecido, esto es, hasta que los niveles en los tubos de los manómetros sean constantes. Una vez que se ha alcanzado el estado la cantidad fluye durante un tiempo dado y se registran las estable, lecturasse demide los dos niveles que manométricos. Después se modifica la velocidad de flujo y se repite el procedimiento. Se debe efectuar varias pruebas para establecer el promedio de k. 9. ¿Porque usted debe usar agua desairada en vez de agua del grifo para el ensayo de permeabilidad?
Para el ensayo es ideal la utilización de fluido con cero aires para obtener la permeabilidad del suelo. Al usar agua desairada me garantiza que el volumen de aire o el área de aire en la muestra de suelo se mantengan inalterados durante el ensayo. Al tomar el agua del grifo se puede presentar salpicaduras, que conlleva a la producción de burbujas, que pueden incorporarse al muestra y afectan la cantidad vacíos y por tanto el ensayo. 10. ¿Cómo usted remueve el aire del agua?
La técnica más común de desaireación del agua combina un sistema de saturación de CO2 bajo condiciones de vacío. Así se obtiene agua óptima para el desarrollo de los ensayos y evitar resultados erróneos. 11. ¿Las mediciones de la permeabilidad aumentan o disminuyen con el contenido del aire del agua ensayada?
La relación entre el contenido de aire y la calidad de la medición de la permeabilidad son inversamente proporcional, ya que si el contenido de aire disminuye la medición de la permeabilidad será muy buena. 12. ¿El coeficiente de permeabilidad aumenta o disminuye con la temperatura? Explique
La permeabilidad de los suelos depende de varios factores como es la viscosidad del fluido, en donde el coeficiente de permeabilidad es inversamente proporcional a la viscosidad del fluido. Está definido a través de la siguiente ecuación.
= ∙ ̅
= = ̅ = La viscosidad del agua afectara la manera en como el fluido se desplace a través del sistema de tuberías y conductos y como pase por la muestra de suelo. 13. ¿Cuál es el rango típico para la permeabilidad de gravas, arenas, limos y arcillas?
La conductividad posee un intervalo de variación para el suelo muy amplio. Se extiende desde un valor insignificante de 10-7 cm/s para el caso de arcillas, hasta un máximo de 100 cm/s para el caso de algunas gravas. En la siguiente tabla se presenta rangos de valores para la conductividad hidráulica en algunos tipos de suelo
14. ¿Es necesario remover el aire de la muestra antes de realizar un ensayo de permeabilidad? Explique
Sí. La presencia de burbujas de aire puede afectar de manera
significativa los resultados, ya que para éstos ensayos las fuentes más importantes de error son las formaciones de una pequeña capa de material fino en la superficie de la muestra, que actúa luego como filtro, y la existencia o formación de burbujas de aire. Ambos errores reducen la permeabilidad. Por lo tanto es imperativo asegurarse que el aire se haya eliminado del sistema en la mayor medida posible
BIBLIOGRAFIA
Mecánicas de suelos, Peter Berry.
Braja M. Das
Guia de laboratorio de geotecnia, Universidad de Sucre
