UNIVERSIDAD PERUANA UNION FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUIECTURA E.A.P INGENIERIA CIVIL
INFORME: INFORME DE PERMEABILIDAD DE SUELOS
PROFESORA:: PROFESORA ING. FIORELA ZAPATA ANTESANA
ALUMNOS: RUPAY DUEÑAS SERGIO AXEL MAMANI MAMANI JERSON MATENCIO CAJA ABRAHAM ALEMBER DIAZ SILVA
Lima, 15 de septiembre del 2017
Índice :
1. 2. 3. 4.
Introducción: ..................................................... ........................................................................................................ ....................................................................... .................... 4 Objetivo: .................................................. ...................................................................................................... ................................................................................ ............................ 5 Normas: ................................................... ....................................................................................................... ................................................................................ ............................ 5 Marco Teórico: .................................................. .................................................................................................... ...................................................................... .................... 5 4.1. Permeabilidad: ................................................... ....................................................................................................... ............................................................... ........... 5 4.2. Ley de Darcy: .................................................... ........................................................................................................ ............................................................... ........... 6 4.3. Coeficiente de permeabilidad: .............................................. .......................................................................................... ............................................ 7 4.4. Factores que influyen influyen en el valor del coeficiente de permeabilidad: ............................... 8 4.4.1. Relación de Vacíos ....................................................... ................................................................................................... ............................................ 8 4.4.2. Temperatura del agua .................................................... ................................................................................................ ............................................ 9 4.4.3. Estructura y estratificación .................................................. ....................................................................................... ..................................... 9 4.4.4. Tamaño de Partículas .................................................... .............................................................................................. .......................................... 10 4.4.5. Aire encerrado y materiales extraños en los vacío: ................................................ 10 4.5. Valores del coeficiente de permeabilidad en distintos suelos: ....................................... 11 5. Materiales Utilizados: ............................................... ................................................................................................... ............................................................. ......... 12 6. Herramientas:.................................. Herramientas:........................................................................................ ....................................................................................... ................................. 12 7. Procedimiento recomendado: ...................................................... ................................................................................................ .......................................... 13 7.1. Procedimiento del ensayo en laboratorio ............................................. .......................... 13 7.2. Procedimiento del ensayo en campo .................................................... .............................................................................. .......................... 16 8. Metodología de cálculo: .................................................... ........................................................................................................ .................................................... 17 9. Memoria de Cálculo: ................................................ .................................................................................................... ............................................................. ......... 18 10. Presentación de Datos: ................................................... ....................................................................................................... .................................................... 19 11. Análisis e Interpretación de Resultados ................................................... ............................................................................. .......................... 21 12. Conclusiones: ................................................ ................................................................................................... ..................................................................... .................. 21 13. Recomendaciones: ................................................ .................................................................................................... ............................................................. ......... 21 14. Referencias:.......................... Referencias:.............................................................................. .............................................................................................. .......................................... 22 15. Anexos: ................................................ .................................................................................................... .............................................................................. .......................... 22 16. Guía Practica: ................................................ ................................................................................................... ..................................................................... .................. 22
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Contenido de Tablas
Tabla 1 ................................................................................................................................... 11 Tabla 2 ................................................................................................................................... 19 Tabla 3 ................................................................................................................................... 20 Contenido de Gráficos
Imagen 1 .................................................................................................................................. 6 Imagen 2 .................................................................................................................................. 7 Figura 1 .................................................................................................................................. 13 Figura 2 .................................................................................................................................. 13 Figura 3 .................................................................................................................................. 14 Figura 4 .................................................................................................................................. 14 Figura 5 .................................................................................................................................. 14 Figura 6 ................................................................................................................................. 15 Figura 7 ................................................................................................................................. 15 Figura 8 .................................................................................................................................. 16 Figura 9 .................................................................................................................................. 16 Figura 10 ................................................................................................................................ 16 Figura 11 ................................................................................................................................ 17 Figura 12 ................................................................................................................................ 17 Figura 13 ................................................................................................................................ 22
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1. Introducción: La permeabilidad de un suelo es la capacidad del mismo para permitir el flujo de un fluido, líquido o gas, a través de él. En el campo de la geotecnia se estudia el flujo del agua.
Los suelos están formado por partículas minerales solido que dejan vacíos entre ellos, estos vacíos están interconectados y permite el flujo del líquido a través de ellos. Esto convierte a los suelos en materiales permeables al agua.
El grado de permeabilidad es determinado aplicado a una muestra saturada de suelo una diferencia de presión hidráulica. El coeficiente de permeabilidad es expresado en términos de velocidad. Este fenómeno es gobernado por las mismas leyes físicas en todos los tipos de suelos y la diferencia en el coeficiente de permeabilidad en tipos de suelos extremos es solo una cuestión de magnitud.
En el estudio de la mecánica de suelos un material es considerado permeable si contiene poros interconectados, grietas u otras salidas a través de las cuales el agua o gas puedan fluir. También se debe saber cuánta agua fluye a través del suelo en un tiempo determinado.
Sabemos que la velocidad con la que el fludio atraviesa el material depende de tres factores básicos:
•
La porosidad de material
•
La densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura.
•
La presión a la que está sometido el fluido. 4
2. Objetivo: •
Realizar el ensayo de permeabilidad de una determinada masa de suelo para calcular el coeficiente de permeabilidad.
•
Aprender mas sobre el ensayo de permeabilidad para así poder analizar e interpretar mejor los resultados calculados.
•
Aplicar los conocimientos obtenidos de los temas de clase, en este caso la determinación de la conductividad de los fluidos en los suelos.
3. Normas: •
ASTM 2434 (PARA SUELOS GRANULARES)
•
ASTM D 5084 (PARA TODOS LOS TIPOS DE SUELOS)
4. Marco Teórico: 4.1. Permeabilidad: La permeabilidad es la característica de los suelos de dejar pasar el agua o cualquier otro fluido a través de su masa. El valor de K es una medida de la resistencia al flujo ofrecida por el suelo. Según las características de permeabilidad los suelos pueden ser:
•
Suelos Permeables: Dejan pasar el fluido fácilmente a través de su masa.
•
Suelos Casi Permeables: Difícilmente dejan pasar el fluido a través de él.
En la Ingeniería se hace una variación en casos de la utilidad de la permeabilidad hay casos en el cual se necesita que los suelos sean permeables tenemos como ejemplo los terraplenes para 5
carreteras, subrasantes, etc. Por otro lado tenemos edificaciones en el cual necesitamos que el suelo sea prácticamente impermeable tomemos como ejemplo el corazón de una presa de tierra, canales de tierra, etc.
4.2. Ley de Darcy: EL flujo de agua a través de medios porosos está gobernado por una ley descubierta experimentalmente por Darcy en 1856, quien investigo las características del flujo de agua a través de filtros de material terreo. Esta ley establece que la velocidad medida de flujo es proporcional al gradiente hidráulico.
En piedras, grava y arenas gruesas el flujo puede ser turbulento. En ese caso la relación no es línea.
Imagen N° 1: Naturaleza de la variación de V con el gradiente hidráulico i.
La expresión matemática de la ley de Darcy es la siguiente: =∗
ℎ3ℎ4 ∗ = ∗∗
Donde: 6
•
Q = Gasto, descarga o caudal en 3⁄
•
L= Longitud en metros de la muestra.
•
i= Gradiente hidráulica
•
K= Coeficiente de permeabilidad.
•
A= Área de la sección transversal en m2.
•
h3= Altura sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a la entrada de la capa filtrante.
•
h4= Altura sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado da la salida de la capa filtrante.
Imagen N°2: El agua por relaciones de energía, circula de mayor a menor altura piezométrica.
4.3. Coeficiente de permeabilidad: Es la velocidad del agua a través del suelo, cuando está sujeta a una gradiente hidráulica unitaria. El valor de K refleja propiedades físicas de los suelos e indica con cuanta facilidad fluye el agua a través del suelo.
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El coeficiente de permeabilidad K es una de las propiedades más interesantes de los materiales que los ingenieros, hidrogeólogos y especialistas en agua subterránea deben tratar. Su significado real puede ser difícil de entender y por tanto muchos malos entendidos pueden existir respecto a lo que es un material ´´permeable´´, lo que es un ´´buen material de drenaje´´ o lo que es un material ´´impermeable´´.
Los estudios de Darcy también utilizan un valor de velocidad V, dicha velocidad es la velocidad de descarga que se define como la cantidad de agua que circula en la unidad de tiempo a través de una superficie unitaria perpendicular a las líneas de filtración.
4.4. Factores que influyen en el valor del coeficiente de permeabilidad: Son los siguientes:
4.4.1.
Relación de Vacíos
Cuando un suelo es comprimido o vibrado, el volumen ocupado por sus elementos solidos permanece invariable, mientras que el volumen de vacíos disminuye, por lo tanto la permeabilidad del suelo también disminuye.
Existen expresiones que permiten relacionar el coeficiente de permeabilidad con la relación de vacíos, pero se deben adoptar ciertas hipótesis cuyo carácter permita que las conclusiones de análisis den información cuantitativa correcta.
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4.4.2.
Temperatura del agua
De un análisis teórico surge que el valor del coeficiente de permeabilidad del suelo es proporcional a la viscosidad cinemática del agua expresando mediante la relación:
=
Donde: ∗ ⁄ = = •
v= viscosidad cinemática
•
n= viscosidad del agua
•
= peso específico del agua
•
g= aceleración de la gravedad
•
EL valor del coeficiente de permeabilidad obtenido mediante ensayos, depende de la temperatura a la que fueron realizados, normalmente se los suele referir a una temperatura T=20°c, para los cuales se tiene. = ∗
Donde el sub índice t hace referencia a los resultados de la prueba. La relación planteada anteriormente es válida para arenas y presenta pequeñas desviaciones para arcillas.
4.4.3.
Estructura y estratificación
El coeficiente de permeabilidad de un suelo inalterado es distinto al del mismo suelo remoldado, cambia su estructura y estratificación. En el remoldado quedan libres partículas de suelo, que al fluir el líquido las mueve y reacomoda, obstruyendo canales. 9
En otras ocasiones son arrastradas al exterior, con lo cual el valor del coeficiente de permeabilidad varia durante la realización del ensayo, esto ocurre en general en suelos con valores de coeficiente de permeabilidad K entre 10−5 10− ⁄.
4.4.4.
Tamaño de Partículas
El tamaño de las partículas del suelo afecta la permeabilidad del mismo. La ley de Poiseuille, demuestra que la velocidad promedio a través de un tubo capilar es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo.
=
Donde:
∗ 32∗
•
Vprom: Velocidad promedio a través de un tubo capilar, en cm/seg.
•
:Es la desnsidad del agua, en gr/ .
•
D: Es el diámetro del tubo, en cm.
•
n: Viscosidad del fluido (agua), en gr.
4.4.5.
Aire encerrado y materiales extraños en los vacío:
Aun cuando el termino coeficiente de permeabilidad en el sentido estricto de la palabra se refiere a la condición de suelos saturados, los suelos en su condición natural, contiene pequeñas cantidades de gas encerrado u ocluido. Más| aun, las muestras de laboratorio contienen frecuentemente mayores cantidades de gas, debido a que el suelo lo adquiere con facilidad, a menos que se tome una serie de precauciones durante el muestreo, el envió y la preparación de muestras.
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4.5. Valores del coeficiente de permeabilidad en distintos suelos:
Table 1 La tabla, expresa valores del coeficiente de permeabilidad y formas de determinarlo, relacionándolo con las condiciones de drenaje y el tipo de suelo.
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5. Materiales Utilizados: •
Arena fina 5kg (para laboratorio.
6. Herramientas: •
Probeta graduada (para laboratorio)
•
Molde de acero inoxidable con sus accesorios.
•
Flexometro
•
Balde de agua
•
Sobre carga
•
Papel filtro
•
Plastelina como impermeabilizante
•
Cronometro
•
Termómetro
•
Lampa
•
Pico
•
Tubo PVC de 2´´ de 70 cm
•
Regla de metal de 60 cm
•
Bolsa plástica
•
Ligas
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7. Procedimiento recomendado: 7.1. Procedimiento del ensayo en laboratorio
Figure 1 Empezamos el ensayo teniendo datos midiendo la altura total de la probeta, la altura hasta el collarín y el diámetro de la probeta.
•
Medimos la temperatura de la muestra en este caso arena fina.
•
Hallamos la densidad de la muestra y para ello tenemos que tener un volumen conocido y en este caso como la arena no tiene una estructura uniforme tenemos que darle la estructura en la tara.
•
Obtener el volumen de cada tara, el peso de cada capa Figure 2 Con la plastilina tapara la intersección para poder impermeabilizar la probeta.
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Figure 3 Proceder a pesar nuestra bandeja para poder tararlo
Figure 4 Rellenar cada una de las taras con la arena de acuerdo a nuetsrol peso de cada capa, con ayuda de un barilejo.
Figure 5 Vaciar 5 capas de muestra, uno por uno y casa capa tendrá 20 golpes para poder compactarla.
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Figure 6 Saturar el suelo (muestra) hasta que no se vean burbujas de aire.
•
Fijar el nivel del agua a una altura de dos veces a la altura de nuestra muestra y mantenemos a ese nivel a lo largo de toda la prueba.
•
Una vez saturada nuestra muestra, echamos 200ml de agua para proceder a obtener las mediciones de volúmenes a un determinado tiempo Figure 7 Anotar el volumen de agua recogida en , y esto se repite tres a mas, en nuestro caso lo repetimos 4 veces.
•
Finalmente se mide la carga hidráulica (h), la longitud de la muestra (L), la temperatura de agua en grados centígrados y el coeficiente de permeabilidad K, con el fin de obtener la relación de viscosidad del agua, que lo da una tabulación.
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7.2. Procedimiento del ensayo en campo Figure 8 Procedemos a realizar una excavación en campo, en este caso elegimos en lugar de tras de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura.
Figure 9 Procedemos a la excavación de una calicata de 40cm de largo, 40 cm de ancho y 70 cm de profundidad.
Figure 10 Colocamos el tubo PVC de 2’’ de 70 cm en el ce ntro de la excavación, y volvemos a tapar la excavación compactándolo cada vez que echamos cierta cantidad de la tierra.
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Figure 11 Procedemos a saturar el suelo echando agua por 30 minutos, luego de haber saturado el suelo se deja reposar por 30 minutos para así poder realizar nuestro ensayo.
Figure 12 Procedemos a realizar nuestro ensayo llenando de agua a la altura del tubo y calculamos 10 minutos para medir la cantidad de agua que disminuyo.
8. Metodología de cálculo: Se procede a realizar el cálculo del coeficiente de permeabilidad con la siguiente expresión:
•
Kt: Coeficiente de Permeabilidad (cm/seg)
•
V: Volumen recogido (cm3) 17
•
L: Longitud de la Muestra (cm)
•
A: Área de la muestra (cm2)
•
t: tiempo de prueba (seg)
Además debe de realizarse la corrección por temperatura el cual viene a expresarse de la siguiente manera:
9. Memoria de Cálculo: •
Diámetro de la probeta = 14.93
•
Altura total = 22.18
•
Altura hasta el collarín =17.23
•
Área de la probeta = ∗ = .
•
Volumen total= Altura total*Área= 3883.033
•
Volumen hasta el collarín = Altura hasta el collarín * Área=3016.439
•
Densidad = 1.5
•
Peso de la muestra= Densidad * Volumen hasta el collarín= 4524.659
•
Peso por capa =
•
= ∗∗ = .
= .
∗
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10. Presentación de Datos:
Coeficiente de Permeabilidad “K”
En Laboratorio
I
II
III
IV
3883.33
3883.33
3883.33
3883.33
Densidad de Campo
1.5
1.5
1.5
1.5
Peso de la Muestra
5824.995
5824.995
5824.995
5824.995
5
5
5
5
1164.999
1164.999
1164.999
1164.999
Altura de carga
34.5
34.5
34.5
34.5
Area transversal
175.064
175.064
175.064
175.064
17.23
17.23
17.23
17.23
Volumen de agua recogido
200
200
200
200
Tiempo de Puebra
101
101
101
101
0.0056
0.0056
0.0056
0.0056
5.65E-05
5.6E-05
5.6E-05
5.6E-05
5.68E-05
5.68E-05
5.68E-05
Preparación de Muestra
Volumen de la Muestra
Numero de capas Peso por capa Prueba en laboratorio
Longitud de muestra
Coeficiente k k(m/s) Corrección de Temperatura
Tabla 2 Resultados
5.68E-05
de “k” en laboratorio
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Coeficiente de Permeabilidad “K”
En Campo
Ubicación del Punto de Exploración: Zona/Coordenadas/ Punto: 18 S - 299715.896 Este - 8673766.134 Norte
Prueba en Campo
Altura de carga
4.9
4.1
4.1
4.1
Area transversal
20.27
20.27
20.27
20.27
70
70
70
70
355.6
355.6
355.6
355.6
600
600
600
600
Coeficiente k
0.4177
0.4992
0.4992
0.4992
k(m/s)
4.2E-03
5.0E-03
5.0E-03
5.0E-03
Longitud de muestra Volumen de agua recogido Tiempo de Puebra
Promedio
Tabla 3
0.00458445
Resultados de “K” constante en campo
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11. Análisis e Interpretación de Resultados •
Según la Tabla 1 vemos que tenemos un mismo coeficiente de permeabilidad en este ensayo ya que nuestra área de la muestra no cambio.
•
El coeficiente del tiempo se mantuvo similar para ambos casos debido a que la arena estaba correctamente saturada, por ese motivo hicimos este ensayo 4 veces consecutivas.
•
Hemos contado con la temperatura ideal, de esta manera la utilizamos en la formula para hallar el coeficiente de permeabilidad “k” el cual su valor es 0.0056 (cm/seg) la cual ha
sido transformada a (m/seg) para poder hallar el tipo de suelo y la velocidad en la que se filtra el agua. 12. Conclusiones: •
Se concluye que el coeficiente de permeabilidad constante es aplicable en campo como en laboratorio mostrando datos factibles a la realidad del suelo.
•
La muestra ensayado en laboratorio tiene una “k = 5.68*10^-5 (m/s)” siendo arena fina su permeabilidad según el tiempo transcurrido, demuestra que según el tamaño de la granulometría sea mayor la filtración es más veloz por los vacíos que se encuentran.
•
En cambio en campo se concluye que el “ k = 4.6*10^-3” es importante para construcciones de estanques, represas para saber cuanta agua tendrá filtración por estratos s y en una carretera es importante que sea permeable para el drenaje en la vía.
13. Recomendaciones: •
Se recomiendo que para ensayos de campo y laboratorio el suelo este completamente saturado para que no errores en el tiempo y coeficiente de permeabilidad.
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•
La temperatura es un factor de corrección para una ensayo correcto por ello se debe medir la temperatura.
•
Tener todos los materiales a la mano ya que todos indispensables.
14. Referencias: http://apuntesingenierocivil.blogspot.pe/2011/02/permeabilidad-del-suelo.html ftp://ftp.fao.org/fi/cdrom/fao_training/fao_training/general/x6706s/x6706s09.htm https://es.wikipedia.org/wiki/Permeabilidad 15. Anexos:
Figure 13 Ubicación del ensayo de permeabilidad en campo Coordenadas UTM ( 18 S 299715.896 Este - 8673766.134 Norte 16. Guía Practica:
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