GEOTECNIA IPROFESOR:ING. MORALES CESPEDES WILVERALUMNO:MOLOCHO DIAZ ELDERGEOTECNIA IPROFESOR:ING. MORALES CESPEDES WILVERALUMNO:MOLOCHO DIAZ ELDERUNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICAUNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA
GEOTECNIA I
PROFESOR:
ING. MORALES CESPEDES WILVER
ALUMNO:
MOLOCHO DIAZ ELDER
GEOTECNIA I
PROFESOR:
ING. MORALES CESPEDES WILVER
ALUMNO:
MOLOCHO DIAZ ELDER
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA
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FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA
ENSAYO DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEONENSAYO DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEON
ENSAYO DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEON
ENSAYO DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEON
INTRODUCCIÓN
El concepto "permeabilidad" en Mecánica de Suelos – Geotecnia, se define como la mayor o menor facilidad con que el agua fluye a través del suelo o roca. La permeabilidad se puede determinar directamente en el campo o bien en el laboratorio utilizando muestras alteradas o inalteradas. Los procedimientos empleados en laboratorio para determinar el coeficiente de permeabilidad pueden dividirse en directos e indirectos.
Por otro lado las pruebas de permeabilidad en campo son útiles cuando es casi imposible obtener especímenes inalterados por ejemplo en estratos de arena y grava. El tipo de prueba de permeabilidad útil en cada caso particular depende de numerosos factores, tales como tipo de material, localización del nivel freático y homogeneidad o heterogeneidad de los distintos estratos del suelo.
Las pruebas de permeabilidad de laboratorio son útiles cuando la estructura que se forma está formada por un material que puede considerarse homogéneo, isótropo, o anisótropo, como en el caso del corazón impermeable de una cortina, construido con la tierra de un banco de préstamo homogéneo.
En cambio, en las formaciones naturales, generalmente compuestas por mantos distintos, con variaciones importantes tanto en la disposición de los mismos como en las características de los materiales, es difícil estudiar el escurrimiento a partir de un número limitado de ensayes sobre muestras inalteradas. En mantos de arena y grava es casi imposible obtener especímenes inalterados. En estos casos es necesario recurrir a las pruebas de campo.
OBJETIVOS:
Conocer el procedimiento del ensayo de permeabilidad tipo Lugeon.
Saber y conocer la función de cada equipo que se emplea en este ensayo.
Interpretar la permeabilidad de la roca de acuerdo al ensayo Lugeon.
Saber a cuanto equivale una unidad Lugeon.
EQUIPO
OBTURADORES INFLABLES
La aplicación habitual de los obturadores es la realización de ensayos de permeabilidad (LUGEON) en los sondeos geotécnicos. Los dos métodos principales son ensayos durante la ejecución del sondeo con obturador simple y ensayos a sondeo terminado con obturador doble y varillas de extensión entre los dos obturadores.
OBTURADORES SIMPLES Y DOBLES
Los componentes básicos del obturador son:
El termino superior fijo FE constituido de uno o dos orificios de inflado.
El tubo central CP, de acero inoxidable.
La goma dilatable S, montada con terminales metálicos
El termino inferior deslizante SE, montado con dos juntas de estanqueidad y hasta el Ø 102mm, con un anillo roscador.
Los obturadores simples del diámetro 28mm à 102mm son fácilmente transformables en obturadores dobles mediante la colocación de un elemento específico: el modulo central CE. Se desmonta del obturador el termino deslizante SE y se coloca en su lugar el modulo central CE. A continuación, se queda para montar un elemento dilatable estándar S con un tapón PL.
El ensamblaje en doble está así realizado. El modulo del diámetro 56 a 102mm se compone principalmente de un tubo perforado del mismo diámetro exterior que el conjunto del obturador. Este diseño da al conjunto del obturador doble robustez y un diámetro constante particularmente bien adaptado a las inyecciones en micro pilotes y a las pruebas hidrogeológicas de permeabilidad y de presión.
OBTURADOR DOBLEOBTURADOR DOBLEOBTURADOR SIMPLEOBTURADOR SIMPLE
OBTURADOR DOBLE
OBTURADOR DOBLE
OBTURADOR SIMPLE
OBTURADOR SIMPLE
SISTEMA PACKER WIRELINE
El Sistema de Wireline Packer es un método de ahorro de tiempo para la realización de las pruebas de permeabilidad durante la perforación de núcleo.
La prueba se lleva a cabo con la sarta de perforación en el lugar, la reducción del tiempo necesario para probar en formaciones abiertas o inestables. Disponible para todas las marcas de barriles centrales alámbricos (N, H y P), los envasadores de telefonía fija se pueden reparar fácilmente en el campo en cuestión de minutos Los empacadores cable incorpora un parachoques que descansa en el interior de la garganta de la broca.
Esto posiciona tanto los envasadores y protege la broca. Una tapa de compresión'' T'' en la Asamblea Tee Seal previene la pérdida de presión alrededor del cable compuesto durante la prueba.
El cable compuesto en sí se compone de un tubo de presión de nylon de alta para la inflación y un cable para bajar y recuperar el empacador Wireline.
LA REALIZACIÓN DE UNA PRUEBA DE PERMEABILIDAD
Retire el conjunto del tubo interno.
Levante las barras de perforación de fondo, dejando la zona deseada de prueba.
Instale el sello de montaje en la parte superior de la camiseta de las barras de perforación.
Baje asamblea envasador cable.
Apriete la tapa de compresión.
Conectar el cable de material compuesto a la fuente de fluido comprimido.
Inflar envasador cable.
Inyectar agua a través de las barras de montaje del sello tee fija y envasador en la zona de prueba.
Realice la prueba de permeabilidad.
Desinfle envasador cable.
Retire envasador y conjunto del sello tee.
Vuelva a insertar montaje del tubo interno.
Bajar sarta de perforación y reanudar perforación.
MANÓMETRO
El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local. En la mecánica la presión se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el sistema internacional de unidades (SI), la presión se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro convencional. Cuando los manómetros deben indicar fluctuaciones rápidas de presión se suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea. Hay que tener en cuenta que la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, entonces hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Cuando se obtiene una medida negativa en el manómetro es debida a un vacío parcial.
MANOMETROMANOMETRO
MANOMETRO
MANOMETRO
CAUDALÍMETRO
Un caudalímetro es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.
CAUDALÍMETROCAUDALÍMETRO
CAUDALÍMETRO
CAUDALÍMETRO
PROCESO DEL ENSAYO
La prueba consiste en la inyección de agua a presión, en tramos aislados del sondaje, se ejecutó pruebas en 5.0 m de tramo de bulbo o hasta de 2.20 metros mínimo.
Para la ejecución de las pruebas se ha empleado obturador (Packer) del tipo wire line
La presión que se usa en la etapa de saturación del terreno es la mínima, se recomendó 0.15 Kg/cm2 por metro de profundidad calculado al punto medio del bulbo de ensayo para la presión máxima y presiones de ½ y ¼ de la presión máxima para las presiones intermedias y mínimas, obteniéndose los caudales promedios por un periodo de 10 minutos en cada estadio de presión; la unidad de presión empleada es Kg/cm2. Los factores condicionantes y que fueron tomados en cuenta durante la ejecución de los ensayos Lugeón para la determinación de las presiones y tramo son:
Profundidad del tramo de ensayo.
Grado de fractura miento del macizo rocoso.
Porcentaje de recuperación de testigos.
Características físico mecánicas de la roca.
Características de las fracturas.
Condiciones para la obturación del tramo de ensayo.
Por lo general la prueba fue realizada en tramos de 5.00 metros, longitud que se adaptaba correctamente a la naturaleza del macizo rocoso, y como se indicó anteriormente fue definido de acuerdo a la evaluación de las muestras extraídas.
La práctica usual para la ejecución del ensayo Lugeón, es someter el macizo rocoso a presiones máximas de prueba y que estas se encuentren por debajo de la presión de la carga litostática que en teoría soporta el tramo de ensayo, evitando de esta manera provocar alteraciones en el macizo rocoso. La carga de la columna litostática es el resultado del producto de su peso específico por la profundidad perforada. Para roca sana y fresca hemos considerado 2.50 gr/cc, mientras que para roca alterada 1.50 gr/cc, empleándose para el cálculo de la presión máxima de ensayo el coeficiente 0.15 Kg/cm2 para roca de buena calidad.
La secuencia de presiones de inyección de agua se ha establecido de la siguiente manera: Presión mínima, intermedia, máxima, intermedia y mínima. En los ensayos realizados por debajo de los 50.00 metros la máxima presión (manométrica) de la prueba fue de 8 Kg/cm2, en ningún caso esta presión fue sobrepasada según la norma planteada por M. Lugeón (1933). El consumo o absorción durante la inyección de agua, fue obtenido por lectura directa inmediatamente después de haberse alcanzado la estabilización de la presión y caudal correspondiente, durante un tiempo de 10 minutos y así sucesivamente para todo el tramo de la prueba.
Durante la ejecución de las pruebas se tuvo especial cuidado con la condición y calidad del agua, consiguiéndose que esta sea transportada desde lugares de aporte de aguas subterráneas ubicados en las cercanías de los puntos de perforación, verificándose que está siempre que sea limpia, sin restos orgánicos ni elementos sólidos en suspensión.
Los ensayos han merecido mucha atención durante su ejecución, por lo que se ha procedido de acuerdo con las normas Standard aplicadas para tal fin. Alcanzada la profundidad programada para el ensayo, se procedió a lavar el sondeo.
La medición del nivel freático realizado antes de cada prueba fue referencial, en vista que el agua de perforación estancada en el taladro inducía a error. Para efectos del cálculo y por deducción hidrogeológica la prueba fue calculada con nivel freático no alcanzado, es decir empleando la carga hidráulica en el punto medio del ensayo.
Luego de proceder a la inspección de los testigos, fue definido el tramo de ensayo y de obturación, teniéndose en cuenta el porcentaje de recuperación de la muestra, el grado de fracturamiento y RQD de la roca, se procedió a la colocación del Packer (obturador) para confinar el tramo de ensayo.
Una vez instalado el equipo de prueba, se inició el bombeo de agua al tramo de ensayo, controlando en el manómetro la estabilización de la aguja en la presión mínima pre-establecida. Conseguida la estabilización, se midió el consumo para cada intervalo de unidad de tiempo (un minuto), obteniéndose de la diferencia de lecturas en el hidrómetro un caudal en l/min, el promedio de estos son para fines de cálculo.
Terminado el primer estadio (presión mínima), se continuo con el mismo procedimiento para las presiones media, máxima, media y mínima respectivamente.
CALCULO DE ABSORCIONES Y PRESIONES DE ENSAYO
Con los caudales obtenidos para cada uno de los estadios de presión, se procede a efectuar los cálculos de absorción por metro de tramo de ensayo, dividiendo el caudal entre la longitud del tramo de ensayo (Q =lt / min / m).
PRESIÓN EFECTIVA (PE)
Corresponde a la presión que actúa en el tramo de ensayo y se define como el resultado de la suma algebraica de las presiones actuantes en la prueba: presión manométrica (PM), Carga Hidráulica (CH), perdida de presión o perdida de carga (PC).
PE = PM + CH + PC
PRESIÓN MANOMÉTRICA (PM)
Es la Presión que actúa en el punto de registro (manómetro), y su valor se obtiene directamente de la lectura en este instrumento.
CARGA HIDRÁULICA (CH)
Es la presión hidrostática producida por la columna de agua dentro de la perforación, cuando no se alcanzó el nivel freático se consideró la distancia entre el manómetro y la mitad del tramo de ensayo (bulbo de ensayo), cuando se alcanzó el nivel freático se consideró la columna de agua comprendida entre el manómetro y el nivel freático.
PÉRDIDAS DE CARGA (PC)
En un sistema de conducción como el que se utilizó: tubería de perforación HQ, las pérdidas de carga son despreciables, no han sido consideradas para efectos de cálculo, ya que por el diámetro empleado y por tratarse de tuberías nuevas, las pérdidas de energía por fricción son mínimos.
GRAFICA DE LOS RESULTADOS
Los valores de absorción y presión efectiva son graficados en un sistema cartesiano (ver al pie de cada registro de prueba). El tipo de curva resulta ser importante para la interpretación del tipo de flujo y prospectos físicos que se producen en las fracturas durante el ensayo.
INTERPRETACIÓN DE LAS CURVAS DE ABSORCIÓN – PRESIÓN EFECTIVA
La grafica de Absorción-Presión Efectiva de un ensayo Lugeón, puede estar asociada, en general, con cualquiera de los cinco casos siguientes:
FLUJO LAMINAR
Los valores de absorción y presión efectiva guardan relación lineal. Es decir, que la absorción es proporcional a la presión efectiva. Este hecho se debe a que las fracturas son finas y se entiende que el relleno es granular y, consecuentemente, el consumo por fractura es aproximadamente igual. Normalmente está asociado a valores Lugeón menores que 3 U.L. (valor Lugeón representativo).
FLUJO TURBULENTO
La Absorción correspondiente a la presión máxima es relativamente menor que la de las presiones intermedias y mínimas, y responde a que las fracturas son de diferente grosor. Generalmente está asociado a valores Lugeón mayores que 4 U.L.
DILATACIÓN
En este caso, cuando la roca es sometida a la presión máxima, hay una dilatación temporal de la abertura o se comprime momentáneamente el relleno por efecto de la presión de agua, entonces, la absorción para este estadio es sensiblemente mayor que en los otros, es un pronóstico reversible y la abertura se comporta de forma "elástica".
EROSIÓN
El material fino de relleno de las fracturas es lavada por el agua de ensayo incrementándose el volumen útil de poros o de fisuras en el tramo de macizo rocoso ensayado, por ello, la absorción se incrementa relativamente con el tiempo. En este caso la curva absorción – Presión Efectiva se ensancha y las flechas apuntarán en sentido horario.
RELLENO
Por efecto de la sedimentación de los finos que pudiera transportar el agua del ensayo o bien del mismo material erosionado y re depositado del relleno de fractura, las aberturas se cierran o taponan a medida que transcurre el ensayo; la absorción consecuentemente decrecerá en función del tiempo. También en este caso la curva absorción – presión efectiva se ensancha, pero las flechas apuntaran en sentido anti horario, otro factor atribuido se debe a la resistencia capilar de penetración del agua en fracturas finas.
DETERMINACIÓN DEL VALOR LUGEÓN REPRESENTATIVO U.L.
Según la experiencia de muchos autores, entre ellos Houlsby (1976), no siempre resulta representativo el valor Lugeón correspondiente a la mayor presión efectiva aplicada. Por el contrario, los valores obtenidos a partir de las presiones medias y bajas serían los más representativos.
El criterio de Houlsby considera también la extrapolación de las absorciones de cada uno de los estadios de presión a 10 Kg/cm2. Tras esta uniformización, se elabora un diagrama de barras que permite comparar los valores Lugeón extrapolados (ver registros de prueba).
Los valores en unidades Lugeón fueron transformados a permeabilidad en cm/seg empleando la relación: 1.0 U.L. = 1.3 E-05 cm/seg (C.A. Houlsby 1976) Es importante resaltar que el coeficiente de permeabilidad de la roca se encuentra directamente relacionado con el grado de fracturamiento, el estado y características de las discontinuidades.
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Facultad de Ingeniería
Escuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
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