ENSAYO LIMITES DE ATTERBERG APLICACIÓN DE LAS NORMAS INV. E-125 LIMITE LÍQUIDO. INV. E-126 LIMITE PLÁSTICO INV. E-127 LIMITE DE CONTRACCIÓN
1. NTRODUCCIÓN
Fue a comienzos del siglo XX que el podólogo sueco Albert Mauritz Atterberg (1846-1916) desarrollo los conocidos (limites de Atterberg ) limites de consistencia de suelos de grano fino. Los limites de Atterberg constaban de pruebas muy complejas que permitían describir la plasticidad de una arcilla, una importante propiedad para el modelado evitando así el agrietamiento y contracción cuando se hornea. Observando que la plasticidad no se presentaba permanentemente en las arcillas, sino que varía dependiendo el contenido de agua que esta tenga. Hablamos de que un suelo se encuentra en estado sólido, cuando está seco, que al humedecerse va pasando a los estados de semisólido, plástico, y líquido. Los límites miden la plasticidad del terreno y contenido de humedad.
2. OBJETIVOS Calcular los límites de consistencia de una muestra de suelo mediante los ensayos correspondientes, y así identificar en el laboratorio los rangos de humedad en los cuales el comportamiento del material es apto para una determinada obra.
2.1.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar los rangos de humedad dentro del cual el suelo se mantiene en estado plástico y así clasificarlo en el sistema de “Clasificación Unificada de Suelos”. Reconocer e interpretar cada una de las normas utilizadas para el desarrollo de estos ensayos. Identificar y dar un uso adecuado a los materiales necesarios para la realización del ensayo.
MARCO TEÓRICO
Los límites de Atterberg o también llamados límites de consistencia se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo de de su propia naturaleza y la cantidad de agua que contengan. Así, un suelo se puede encontrar encontrar en un estado sólido, semisólido, semisólido, plástico y líquido o viscoso. La arcilla, por ejemplo, si está seca se encuentra muy suelta o en terrones, añadiendo agua adquiere una consistencia similar a una pasta, y añadiendo más agua adquiere una consistencia fluida. El contenido de agua con que se produce el cambio entre estados varía de un suelo a otro y en mecánica de suelos, interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades para el cual el suelo presenta un comportamiento plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad). Se trata de la propiedad que presentan los suelos hasta cierto límite.
Figura 1. Limites de Atterberg
Fuente: propiedades Fuente: propiedades geofísicas de los suelos, Joseph E. Bowles. Pág. 37.
Determinar los rangos de humedad dentro del cual el suelo se mantiene en estado plástico y así clasificarlo en el sistema de “Clasificación Unificada de Suelos”. Reconocer e interpretar cada una de las normas utilizadas para el desarrollo de estos ensayos. Identificar y dar un uso adecuado a los materiales necesarios para la realización del ensayo.
MARCO TEÓRICO
Los límites de Atterberg o también llamados límites de consistencia se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo de de su propia naturaleza y la cantidad de agua que contengan. Así, un suelo se puede encontrar encontrar en un estado sólido, semisólido, semisólido, plástico y líquido o viscoso. La arcilla, por ejemplo, si está seca se encuentra muy suelta o en terrones, añadiendo agua adquiere una consistencia similar a una pasta, y añadiendo más agua adquiere una consistencia fluida. El contenido de agua con que se produce el cambio entre estados varía de un suelo a otro y en mecánica de suelos, interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades para el cual el suelo presenta un comportamiento plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad). Se trata de la propiedad que presentan los suelos hasta cierto límite.
Figura 1. Limites de Atterberg
Fuente: propiedades Fuente: propiedades geofísicas de los suelos, Joseph E. Bowles. Pág. 37.
El método usado para medir estos límites de humedad fue ideado por el científico sueco Albert Atterberg en el año 1911. Los límites de Atterberg son propiedades, valores de humedad de los suelos que se utilizan en la identificación y clasificación de un suelo.
Existen tres límites de Atterberg:
Límite de retracción o contracción: Cuando el suelo pasa de un estado semisólido a un estado sólido y deja de contraerse al perder humedad.
Límite plástico: Cuando el suelo pasa de un estado plástico a un estado semisólido y se rompe. Porcentaje de contenido de humedad con que un suelo cambia al disminuir su humedad de la consistencia plástica a la semisólida, o, al aumentar su humedad, de la consistencia semisólida a la plástica. El límite plástico es el límite inferior del estado plástico. Un pequeño aumento en la humedad sobre el límite plástico destruye la cohesión del suelo.
Límite líquido: Cuando el suelo pasa de un estado semilíquido a un estado plástico y puede moldearse. Para la determinación de este límite se utiliza la cuchara de Casagrande. En este límite el contenido de humedad (PW) en la película de agua se hace tan gruesa que la cohesión decrece y la masa de suelo fluye por acción de la gravedad. 1
Las arcillas Existen suelos que al ser remoldeados, cambiando su contenido de agua, si es necesario, adoptan una consistencia característica que se ha denominado plástica. Estos suelos han sido llamados arcillas y están formados principalmente
1
http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3282/5/53973-5.pdf
por: el Sílice (Si), el Oxigeno (O) y el Aluminio (Al). Dichos elementos le otorgan a la arcilla la propiedad de expandirse y contraerse ya que absorben agua. La plasticidad de las arcillas se debe a la estructura laminar de sus partículas más finas, ya que esta ejerce una influencia importante en la compresibilidad, asimismo el tamaño tan pequeño hace que la permeabilidad sea baja. Dentro de las arcillas se encuentran principalmente: Caolinita, Illita y Montmorillonita.
Las arcillas y los estados de consistencia La plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas sino circunstancial y depende de su contenido de humedad. Una arcilla muy seca puede tener la consistencia de un ladrillo, con plasticidad nula y esa misma con gran contenido de agua, puede presentar las propiedades de un lodo semilíquido o inclusive, las de una suspensión líquida. Entre ambos extremos existe un intervalo del contenido de agua en la que la arcilla se comporta plásticamente. Los estados de las arcillas son: 1. Estado líquido: con las características de una suspensión. 2. Estado semilíquido, con las propiedades de un fluído viscoso. 3. Estado plástico, se comporta plásticamente. 4. Estado semisólido, tiene la apariencia de un sólido, pero aún disminuye de volumen al estar sujeto a secado. 2
2
http://moisessuarez.files.wordpress.com/2009/12/lc3admites-de-consistencia.pdf
3. MATERIALES Y EQUIPOS
Limite líquido
Vasija de evaporación – Una vasija de porcelana de 115 mm (4½") de diámetro, aproximadamente. Figura 2. Vasija de evaporación
Fuente. http://es.unsbiz.com/companySite/findGoods.do?method=detail&id=213447&flag=0
Espátula – Una espátula de hoja flexible de 75mm a 100 mm (3"a 4”) de longitud y 20mm (3/4") de ancho, aproximadamente.
Figura 4. Espátula
Fuente. http://www.utilcentre.com/utensilios/pasteleria/espatulas.html
Ranurador – Un ranurador curvo (trapezoidal).
Figura 5. Ranurador curvo
Fuente. http://www.laboratorioparaconstruccion.com/suelos.html#all
Aparato del Límite Líquido de operación manual – Es un aparato consistente en una cazuela de bronce con sus aditamentos Figura 6. Cazuela Casagrande
Fuente. http://www.ing.unal.edu.co/laboratorios/geotecnia/site/?q=node/6
Calibrador
Figura 7. Calibrador
Fuente. http://www.pisotones.com/Tri-Wah/cajawah.htm
Recipientes – Hechos de material resistente a la corrosión, y cuya masa no cambie con calentamientos y enfriamientos repetidos
Balanza – Una balanza con una sensibilidad de 0.01 gr. Figura 8. Balanza
Fuente: http://www.pce-instruments.com
Horno – Un horno termostáticamente controlado, capaz de mantener temperaturas de 110 ± 5°C (230 ± 9°F) para secar las muestras.
Figura 9. Horno
Fuente. http://galeria.vulka.es/foto/horno-para-laboratorio_64527.html
Limite plástico Espátula – De hoja flexible, de unos 76.2 mm (3") de longitud por 20 mm (3/4") de ancho.
Cápsula para evaporación – De porcelana, o similar, de 115 mm (4 1/2” ) de diámetro.
Balanza – De 100 g de capacidad con aproximación a 0.01 g.
Recipientes – Se deben emplear recipientes apropiados, hechos de material resistente a la corrosión y que no estén sujetos a cambios en su masa o a desintegración por repetidos calentamientos y enfriamientos.
Horno –Termostáticamente controlado, regulable a 110 ± 5°C (230 ± 9°F).
Tamiz – De 425 µm (No.40).
Figura 10. Tamiz
Fuente. http://www.angelacolls.com/es_ES/tamiz-madera,-malla-80-inoxdiametro-40cm/productos/53/1367
Superficie lisa – Para amasado y enrollamiento. Usualmente se utiliza un vidrio grueso esmerilado.
Limite de contracción
Vasijas de evaporación – De porcelana, de 115 mm (4- l/2") y de 150 mm (6") de diámetro aproximadamente.
Espátula – De 76 mm (3") de longitud y 20 mm (3/4") de ancho.
Recipiente para contracción – De porcelana o de metal Monel (aleación de níquel y cobre) con una base plana y de 45 mm (1 3/4") de diámetro y 12.7 mm (1/2") de altura. Regla de metal – de 100 mm (4") o más de longitud. Recipiente de vidrio – de 50 mm (2") de diámetro y 25 mm (1") de altura, con bordes lisos y nivelados.
Placa de vidrio – Con tres patas metálicas salientes para sumergir la muestra de suelo en mercurio.
Probeta – Con capacidad de 25 ml y graduada cada 0.2 ml.
Balanza – Con sensibilidad de 0.1 g.
Mercurio – Suficiente para llenar el recipiente de vidrio, hasta que rebose.
Horno – termostáticamente controlado y que pueda conservar temperaturas constantes y uniformes hasta 110° ± 5° C (230° ± 9° F), para secar la muestra.
Guantes de asbesto y de caucho
4. METODOLOGÍA
-
Se escoge una muestra considerable de material y se lleva al horno.
-
Macerar el material en una vasija de porcelana, pesando ± 200 g de material que pase el tamiz No. 40 Figura 11. Macerar el material
Fuente. Realización propia
-
Preparación de la muestra para determinar el limite liquido, (agregar 15ml ± 25ml de agua a la muestra) Figura 12. Preparación de la muestra
Fuente. Realización propia
-
Determinación del limite liquido Figura. 13 y 14. Limite líquido
Fuente. Realización propia
-
Determinación del limite plástico
Figura 15, 16 y 17 determinación del límite plástico
Fuente. Realización propia
-
Determinación limites de contracción
Figura 18,19 y 20. Determinación de límites de contracción
Fuente. Realización propia
5. DATOS INICIALES Y RESULTADOS LIMITE LÍQUIDO
Recipiente # 015 + muestra = 32.4 g Recipiente # 94 + muestra = 24.07 g Recipiente # 24 + muestra = 28.92 g
# Golpes 15 27 33
Peso húmedo (g) 17.99 15.46 13.30
Peso seco (g) 13.11 11.63 10.08
%w 37.22 32.93 31.94
Grafica 1. LIMITE LÍQUIDO: “NÚMERO DE GOLPES Vs DEL CONTENIDO DE HUMEDAD
Fuente. Elaboración propia.
El límite líquido es el contenido de humedad correspondiente a 25 golpes. A partir de la grafica se obtiene que el contenido de humedad cuando el numero de golpes es igual a 25 el porcentaje de humedad es 33.7% Según la norma INV. E- 125 el resultado
Se obtiene un índice de fluidez igual a
= 33.7%
= 1.809
LIMITE PLÁSTICO
Recipiente # 002 99
Peso recipiente 10.58 10.40
Peso recipiente +muestra húmeda 13.70 13.86
Peso recipiente + muestra seca 13.25 13.21
Recipiente # Peso muestra humedad Peso muestra seca 002 3.12 2.67 99 3.46 2.81 Peso total 6.58 5.48
Límite plástico
Índice de plasticidad 13.627%
LIMITE DE CONTRACCIÓN Recipiente Peso = 22.69 g Diámetro = 4.11 cm Radio = 2.055 cm Altura = 0.93 cm Volumen del recipiente = π
()() 12.34
Densidad del mercurio = 13.5 g/cm³
Masa unitaria del agua (g/cm³) = aproximadamente 1.0 g/cm³ Peso del recipiente + muestra húmeda = 46.12 g Peso del recipiente + muestra seca = 38.88 g Peso de la muestra húmeda = 23.43 g
Peso de la muestra seca = 16.19 g Peso del agua presente en la muestra = 7.24 g % humedad = 44.72% Peso del volumen desplazado por el mercurio = 108 g Volumen de la muestra seca = 6.671
Volumen de la muestra húmeda = 12.34
6. CÁLCULOS
Índice de fluidez
h = humedad natural
Límite líquido
Índice de plasticidad
Limite de contracción
() () () () ⁄ ()
Relación de contracción
Cambio volumétrico
Contracción lineal
() () √ ANÁLISIS DE LA MUESTRA Localización. Campus cajica Sondeo 2 Muestra 3
Profundidad de 1.80m a 2.00m
Muestra alterada Relación de los límites de Atterberg con otras propiedades del suelo Consistencia relativa En función de los límites de consistencia se va a obtener la llamada consistencia relativa (C.R) de los suelos cohesivos por lo tanto:
Siendo (w) la humedad el suelo en su estado natural. Si la consistencia relativa resulta negativa, o sea cuando la humedad del suelo sea mayor que la de su límite líquido, el amasado del suelo lo transforma en un baro viscoso. Consistencias relativas muy cercanas a cero indican un suelo con esfuerzo a ruptura (qw) a compresión axial no confinada comprendido entre 0.25kg/cm2 y 1.0kg/cm2. Si la consistencia relativa es aproximadamente igual a uno, el indica que si (qu) puede estar comprendida entre 1.0kg/cm2 y 5.0kg/cm2 En general el esfuerzo al corte de un suelo crece a medida que C.R. varía de 0 a 1. Un valor de C.R. de 0.0 a 0.25 indica un suelo muy suave; de 0.25 a 0.50, suave de 0.50 a 0.75, consistencia media, y de 0.75 a 1.0, consistencia rígida.
Índice de liquidez En los suelos plásticos, el índice de liquidez es indicativo de la historia de los esfuerzos a que ha estado sometido el suelo. Si el valor del índice de liquidez es cercano a cero, se considera que el suelo este pre consolidado, y si es cercano a uno entonces se le considera como normalmente consolidado la expresión para obtener el índice de liquidez es:
Si la humedad inicial de un suelo corresponde a un índice de liquidez igual a 0.2 o más, el suelo, aun siendo altamente plástico, tendrá poca o nula expansión.
Índice de compresión o de comprensibilidad.
Un valor que se emplea bastante en el cálculo de asentamiento de estructuras para suelos normalmente consolidados es el siguiente, dado por Terzaghi y Peck, llamado índice de compresión 3
()
La compresibilidad de los suelos puede expresarse así:
( ) ( ) Baja- de 0.0 a 0.9
Media- de 0.2 a 0.39 Alta- de 0.4 o más El valor de
pude determinarse, según algunos autores por: , para todas las arcillas. , para arcillas inorg ánicas, arcillas limosas y limos, seg ún
Hough.
, para suelos de baja plasticidad
Clasificación del suelo según la Carta de plasticidad – SUCS. Con base a la carta de plasticidad para el sistema británico de clasificación y los resultados obtenidos se determina que la muestra corresponde a una arcilla de baja plasticidad (CL). Figura 21. Carta de plasticidad
3
mecánica de suelos de Carlos Crespo Villalaz; Pág. 79-86
Fuente. Mecánica de suelos. Peter L. Berry. Pág. 45.
Numero de actividad Aplica para suelos plásticos con propensión a padecer cambios en su volumen en presencia de diferentes contenidos de humedad. El número de actividad se define como:
Numerador: índice plástico del suelo
Denominador = porcentaje en peso de las partículas con diámetro menor de 0.002m
La actividad de la arcilla puede medirse en función de (A) de la siguiente manera: A < 0.5... Arcilla relativamente inactiva tipo caolinítico. A>0.50>1.0... Arcilla con actividad normal, tipo ilítico. A>1.0… Arcillas progresivamente mas activas, tipo montmorillonítico.
Analizando el número de actividad con los resultados obtenidos en el ensayo, tenemos que:
A = 1.1356
Determinando que según la clasificación de la actividad de la arcilla. Nuestra muestra es una arcilla progresivamente mas activa, tipo montmorillonítico. 4
4
Mecánica de suelos Y cimentaciones. Carlos Crespo Villalaz. Pág. 79-80.
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Se determino que los límites de consistencia para la muestra analizada son:
%
De acuerdo a los anteriores datos y a la humedad natural de la muestra ( ) se determino que la arcilla se encuentra en estado líquido, ya presenta un porcentaje de agua mayor al del límite líquido. Figura 22. Estados de consistencia de un suelo arcilloso
Fuente. Mecánica de suelos. Peter L. Berry, pág. 38.
Se determino a partir del ensayo y la carta de plasticidad que el material analizado es una arcilla de baja plasticidad. Determinando que el material puede presentar baja consolidación, debido a que el fenómeno de consolidación es directamente proporcional a la plasticidad de la arcilla. A partir de los ensayos realizados para cada uno de los limites (liquido, plástico y de contracción) siguiendo las normas INV E 125, 126 y 127 respectivamente; se obtuvo un límite liquido del 33.7% teniendo en cuenta el porcentaje de humedad que correspondía a 25 golpes.
8. CONCLUSIONES
De acuerdo con la definición de de los limites de Atterberg, se observo en la práctica que el contenido de humedad varía de acuerdo al estado en el que se encuentre la muestra, a menor contenido de humedad, la muestra pasa de estado liquido a plástico y a solido, respectivamente. El volumen de la mezcla suelo-agua de la muestra es inversamente proporcional a su contenido de humedad, puesto que el volumen del agua interviene directamente para determinar el contenido de humedad y el estado de la muestra.
9. REFERENCIAS
I.N.V. E - 125. Determinación del límite liquido de los suelos. I.N.V. E - 126. Limite plástico e índice de plasticidad. I.N.V. E - 127 – 07. Determinación de los factores de contracción de los suelos. Mecánica de suelos, Peter L. Berry. Mac Graw Hill. Mecanica de suelos y cimentaciones, Carlos Crespo Villalaz. Cuarta edición.
LABORATORIO: PERMEABILIDAD
INTRODUCCIÓN
Es de mucha importancia determinar la el coeficiente de permeabilidad de un suelo para poder establecer si deja o no pasar fácilmente el agua entre sí, ya sea grueso o fino. Mediante el ensayo de permeámetro de cabeza constante analizaremos tres tipos de suelo, determinaremos el coeficiente de permeabilidad para dichos suelos, además de un coeficiente de permeabilidad del piezómetro 1 al 7 general de las muestras de suelo, se analizará otra muestra de suelo en el permeámetro de cabeza constante pasa tamiz nº 4 y mediante el permeámetro de cabeza variable se analizará el coeficiente de permeabilidad para un suelo fino conociendo las dimensiones del instrumento, hallando la altura que disminuye al pasar el tiempo, además se determinara un coeficiente de permeabilidad teórico para este suelo. Gracias a los coeficientes de permeabilidad se clasificarán los suelos en tablas de libros como ingeniería geológica y Peter Berry.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL: Determinar los coeficientes de permeabilidad de diferentes suelos por medio de los permeámetros de cabeza constante y variable, para luego compararlos con otras fuentes y sacar las respectivas conclusiones de cada suelo analizado.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: -Determinar el coeficiente de permeabilidad de 3 tipos de suelo por medio del permeámetro de cabeza constante para determinar los tipos de suelo. -Determinar el coeficiente de permeabilidad de un suelo con el permeámetro de cabeza constante haciendo un promedio general del suelo mediante parejas de piezómetros. - Determinar el coeficiente de permeabilidad de un suelo fino por medio del permeámetro de cabeza variable y dar su respectiva clasificación. -Hallar un coeficiente teórico de permeabilidad promedio para la muestra 1 en una fuente bibliográfica.
MARCO TEÓRICO
La permeabilidad Es la capacidad que tiene un material de permitirle a un líquido que 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. 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.
Por otro lado, hay que hablar de una "permeabilidad intrínseca" (también llamada "coeficiente de permeabilidad"); como constante ligada a las características propias o internas del terreno. Y de una "permeablidad real" o de Darcy, como función de la permeabilidad intrínseca más las de las características del fluido.Unidades La permeabilidad intrinseca en el SMD se mide en cm2 o m2. La unidad derivada de la Ley de Darcy 1 es el darcy, y habitualmente se utiliza el milidarcy: Conversión: La permeabilidad de Darcy se mide, en cambio, en unidades de velocidad: cm/segundo o m/segundo.
Determinación de la permeabilidad real o de Darcy La permeabilidad intrínseca de cualquier material poroso, se determina mediante la fórmula de Darcy:
donde , permeabilidad intrínseca [L2 ] , constante adimensional relacionada con la configuración del fluido. , diámetro promedio de los poros del material [L] La permeabilidad real, en cambio, se puede determinar directamente mediante la Ley de Darcy o estimarla utilizando tablas empíricas derivadas de ella. La permeabilidad real es una parte de la constante proporcional en la Ley de Darcy, que se relaciona con las diferencias de la velocidad del fluido y sus propiedades físicas (por ejemplo, su viscosidad) en un rango de presión aplicado al promedio de porosidad. La constante proporcional específica para el agua atravesando una porosidad media es la conductividad hidráulica. La permeabilidad intrínseca es una función de la porosidad, no del fluido. Permeabilidad del suelo En geología la determinación de la permeabilidad del suelo tiene una importante incidencia en los estudios hidráulicos portante del sustrato (por ejemplo previo a la construcción de edificios u obras civiles), para estudios de erosión y para mineralogía, entre otras aplicaciones. La permeabilidad del suelo suele aumentar por la existencia de fallas, grietas, juntas u otros defectos estructurales. Algunos ejemplos de roca permeable son la caliza y la arenisca, mientras que la arcilla o el basalto son prácticamente impermeables. Permeabilidad y drenaje De la mencionada ley de Darcy se deriva también una fórmula que relaciona el volumen de agua que atraviesa una muestra con su permeabilidad teniendo en cuenta el diferencial de presión:
Donde:
Cantidad de agua drenada a través de la muestra por unidad de tiempo, (cm3 /h) Conductividad hidráulica o coeficiente de permeabilidad. Se expresa generalmente en (cm/h). gradiente piezométrico disponible; (m/m) Sección transversal por donde se filtra el agua en la muestra (cm 2 ).
Cuando se mide la filtración tanto en el campo como en laboratorio, al inicio de la prueba los valores son mayores y progresivamente se estabilizan en los valores finales que son los que interesan para caracterizar un suelo desde este punto de vista. La velocidad final de infiltración se denomina V f . Para la medición de la velocidad final de infiltración, en el campo, sobre el suelo inalterado, se utiliza el infiltrómetro de doble cilindro. Los valores finales de infiltración (V f ) para los diversos suelos se presentan en la tabla siguiente. Fuente : es.wikipedia.org/wiki/Permeabilidad MÉTODOS PARA MEDIR EL 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 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, en forma secundaria, por pruebas y técnicas que primariamente persiguen otros fines.
Estos métodos son los siguientes: -Permeámetro de carga constante Directos: - Permeámetro de carga variable. - Prueba directa de los suelos en el lugar.
- Cálculo a partir de la curva granulométrica. Indirectos - Cálculo a partir de la prueba de consolidación. - Cálculo con la prueba horizontal de capilaridad.
1.- METODOS DIRECTOS
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.
El inconveniente del permeámetro es que, en suelos poco permeables, el tiempode prueba se hace tan largo que deja de ser práctico usando gradienteshidráulicos razonables, además de tener una incidencia muy importante en losresultados los fenómenos de evaporación.
FIGURA 1 ESQUEMA DE PERMEÁTRO DE CABEZA CONSTANTE.
PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE En este tipo de permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa unamuestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. En la figura, vemos dos dispositivos típicos, el (a) usado en suelos predominantemente finos, yel (b) apropiado para materiales más gruesos.
FIGURA 2 PERMEÁMETRO DE CABEZA VARIABLE
Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra.
Esta expresión nos permite calcular el valor del coeficiente de permeabilidad. Cuando la caída de carga hidráulica sea pequeña en comparación con la carga media usada en la prueba, podrá usarse para el permeámetro de carga variable, la fórmula para el permeámetro de carga constante tomando la carga h como:
h = ( h1 + h2) / 2
Considerando que tal carga obró durante todo el tiempo t, de prueba. 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.
METODOS INDIRECTOS
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 D² (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 + 0.03 t ) ² D (cm /seg) donde t: temperatura en ºC Terzaghi da, para suelos arenosos, la expresión: k = C1 ( 0.7 + 0.03 t )² D (cm /seg)
TABLA 1 COEFICIENTE Cº
FUENTE: http://www.frlp.utn.edu.ar/web/MECASUR/archivos/trabajo_practico5.pdf
TABLA 2 COEFICIENTES DE PERMEABILIDAD DE SUELOS
FUENTE: MECÁNICA DE SUELOS DE PETER L. BERRY DAVID REID
DATOS DE LA PRÁCTICA
PERMEAMETRO CABEZA CONSTANTE Muestra 1 D= 7,4 cm
Tabla 1: datos de la muestra ESTRATOS 1 2 3
ALTURAS (H) cm Tipo de material 15 Arena gruesa de rio 10 Arena de peña 11 Arena de Ottawa Fuente: propia
PIEZÓMETROS PARTE IZQUIERDA Altura del tanque= 106.5
Tabla 2: datos del ensayo N° de piezometro Aaltura H (cm) 1 83 2 81,5 3 80 4 78,5 5 77 6 73,5 7 70,5 Fuente: propia Tiempo= 1min = 60 s Volumen = 120 ml
Muestra 2
PIEZÓMETROS PARTE DERECHA D= 7,4 cm Material = 35 cm arena guamo Distancia entre piezómetros = 5 cm
Tabla 3: datos del ensayo N° de piezometro Aaltura H (cm) 1 106 2 105,8 3 105,4 4 105,6 5 105 6 104,8 7 104,6 Fuente: propia Tiempo= 1min = 60 s Volumen = 110 ml
PERMEÁMETRO CABEZA VARIABLE
Muestra:
Recebo-tamaño pasa tamiz nº4 compactado estándar en 3 capas cada 25 golpes. Altura muestra: 11,6 cm Diámetro= 4 pulgadas Diámetro capilar 9 mm Tabla 4: datos del ensayo T (sg)
h (cm)
0 15 32 54 83 122
159 139 119 99 79 59 Fuente: propia
ANÁLISIS DE DATOS
Muestra 1 K=
Piezómetro 1-2 h= 0,83-0,815=0,015 m
K =
= 0,0012919 m/s
Piezómetro 3-4 h= 0,80-0,785=0,015m
(1)
K =
= 0,0012919 m/s
(2)
Piezómetro 6-7 h= 0,77 – 0,735= 0,03 m
K =
= 0,00077519 m/s
(3)
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD PROMEDIO PEIZOMETRO 1-7 MUESTRA 1 h= 1.065-0,705 = 0,36 m
K=
= 0,0003875 m/s
Muestra 2
Piezómetro 1-2 h= 1,06-1,058=0,002 m
K =
= 0,010658 m/s
Piezómetro 3-4 h= 1,056-1,054= 0.002 m
K =
0,010658 m/s
Piezómetro 6-7 h= 1,048-1,046=0,002 m
K =
= 0,010658 m/s
(4)
PROMEDIO DE COEFICIENTES = 0,010658 m/s
(5)
PERMEÁMETRO DE CABEZA VARIABLE
a= 0, 00006362 m² L= 0,116 m A= 0,008107 m²
K= K= K= K= K= K=
K promedio= 0, 000008091 m/s
= 0, 00008153 m/s
= 0, 00007857m/s =0, 000007614m/s = 0,0000073369 m/s = 0,0000094904 m/s
(6)
COEFICIENTES DE PERMEABILIDAD TEÓRICO PROMEDIO
COEFICIENTE PERMEABILIDAD VERTICAL Kv=
Kv=
=0.001189 m/s
(7)
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD HORIZONTAL
[K1*L1+K2*L2+K1*L1]
[0.000802*0.11+0.001789*0.1+0.001368*0.15] = 0.001312 m/s
(8)
ANALISIS DE RESULTADOS
Según los resultados de los coeficientes y tomada la tabla 3 del libro ingeniería geológica de vallejo para la muestra 1 el tipo de suelo del primer estrato es arena uniforme (SP), el segundo estrato corresponde a arena uniforme (SP), el tercer estrato es arena bien graduada (SW), por otro lado clasificándolos de otra fuente según la tabla 2 tomada del libro mecánica de suelos Peter Berry el estrato 1 y 2 corresponden a arena gruesa y el estrato 3 arena fina. La muestra 2 según la tabla 3 tomada de ingeniería geológica se clasifica como grava bien graduada (GW). El promedio de coeficiente de permeabilidad de la muestra 1 del piezómetro 1 al 7 según tabla 3 tomada de ingeniería geológica es grava bien graduada (GW) y según la tabla 2 tomada de mecánica de suelos Peter Berry es arena gravosa. El coeficiente de permeabilidad del suelo analizado con el permeámetro de cabeza variable según tabla 2 es turba y según tabla 3 es arena arcillosa SC. Los coeficientes de permeabilidad teóricos tanto vertical como horizontal dieron muy cercanos, siendo así según la tabla 3 del orden de las arenas uniforme (SP) y según la tabla 2 arenas gravosas.
CONCLUSIONES
El valor de la permeabilidad K es dependiente de la forma, tamaño y distribución de sus partículas, de lo anterior se infiere que la constante K está dada en función del tamaño de los poros. Los que quiere decir que la permeabilidad de un suelo fino en mucho menor comparándola con la de un suelo granulares, ya que oponen una mayor resistencia al movimiento de agua debido al menor tamaño de los canales de flujo. Los valores obtenidos gracias a los ensayos de permeabilidad realizados en el laboratorio no son los más precisos debido a diferentes factores que actúan para que estos no sean los más apropiados: o
o
o
El suelo analizado esta en algún grado de alteración (por mínimo que sea) respecto al suelo del terreno. La superficie de las paredes de los moldes en los cuales se encuentra la muestra proporcionan una menor resistencia al flujo de agua respecto a los caminos naturales presentes en terreno. El efecto que tiene la temperatura en la viscosidad del agua, a medida que la temperatura aumenta la viscosidad del agua disminuye y el coeficiente de permeabilidad aumenta.
El material que está compuesto por partículas tamaño tiene partículas de diferentes tamaños lo cual disminuye la posibilidad de que el agua atraviese fácil y rápidamente el material por que una buena granulometría evita los vacíos, se puede observar que en la parte baja de la muestra se encuentra una arena muy fina la cual presenta un porcentaje de vacíos mínimo esto produce que el agua no encuentre camino para atravesar el material y se tenga que demorar más en encontrar salida. El agua podrá fluir fácilmente a través de un suelo de poros grandes con una buena conectividad entre ellos. Los poros pequeños como el mismo grado de conectividad tendría una baja permeabilidad, ya que el agua fluiría a través del suelo más lentamente.
