Informe Permeabilidad de Suelos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

I.

INTRODUCCIÓN Los suelos están formados por partículas minerales sólidas que dejan vacíos entre

ellas. Estos vacíos están interconectados interconectados y permiten el flujo de agua a través de ellos. Esto per meables les al agua. El grado de permeabilidad es convierte a los suelos en materiales pe

determinado aplicando 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.

MÉTODOS: Métodos directos: su principal objetivo es la determinación del coeficiente de permeabilidad. Pueden Pueden dividirse en: en:

a) Ensayos de laboratorio: Permeámetro de carga carga constante: para suelos de alta permeabilidad, como arenas

y gravas. Permeámetro de carga variable:

para suelos de mediana permeabilidad a baja

permeabilidad, como como limos y arcillas.

b) Ensayos de campo. Métodos indirectos: tienen como finalidad principal la determinación de algún otro parámetro o propiedad propiedad del suelo y se los utiliza cuando cuando es imposible aplicar aplicar algún método directo MECÁNICA DE SUELOS II

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL o como verificación. Hallan el valor del coeficiente de permeabilidad a partir de la curva granulométrica, del ensayo de consolidación, de la prueba horizontal de capilaridad y otros. El coeficiente de permeabilidad k, representa la relación r elación que existe entre la velocidad promedio de flujo, la ´´v´´, y el gradiente hidráulico, ´´i´´, necesaria para la existencia de flujo. El presente documento se describe el procedimiento para la determinación del coeficiente de permeabilidad de suelos granulares mediante el método de carga constante, por medio de una serie de mediciones y procedimientos normalizados (ASTM D2434-68).

MECÁNICA DE SUELOS II


II.OBJETIVOS 1. Objetivo General: Esta prueba cubre la determinación del coeficiente de permeabilidad por medio del método de cargan constante para flujo laminar de agua a través de suelos granulares.

III.

MARCO TEÓRICO

Para el ensayo ideal de flujo laminar de agua a través de suelos granulares bajo condiciones de carga constante, son prerrequisitos las siguientes condiciones: -

Continuidad de flujo sin cambio de volumen del suelo durante el ensayo.

-

Flujo de suelo con vacíos llenos de agua y sin burbujas en estos espacios.

-

Flujo en estado estacionario si cambios en el gradiente hidráulico.

-

Proporcionalidad directa de la velocidad de flujo con el gradiente hidráulico bajo ciertos valores en los que empieza el flujo turbulento.

-

Todos los otros tipos de flujo que involucran la saturación parcial de los espacios vacíos de suelo, flujo turbulento o flujo de estado transitorio, son de carácter temporal, variables en el espacio y con coeficientes dependientes del tiempo; por esta razón, requieren condiciones y procedimientos de ensayo especiales.

PERMEABILIDAD

Definimos permeabilidad como la capacidad de un cuerpo (en términos particulares, un suelo) para permitir en su seno el paso de un fluido (en términos particulares, el agua) sin que dicho tránsito altere la estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina objetivamente mediante la imposición de un gradiente hidráulico en una sección del cuerpo, y a lo largo de una trayectoria determinada.


UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL El concepto permeabilidad puede recibir también las acepciones de conductividad o transmisividad hidráulica, dependiendo del contexto en el cual sea empleado. La permeabilidad se cuantifica en base al coeficiente de permeabilidad, definido como la velocidad de traslación del agua en el seno del terreno y para un gradiente unitario. El coeficiente de permeabilidad puede ser expresado según la siguiente función: k=Q/IA Donde - k: coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica [m/s] - Q: caudal [m3/s] - I: gradiente [m/m] - A: sección [m2)] En proyectos de ingeniería y arquitectura, las unidades con las que se expresa generalmente el coeficiente de permeabilidad son cm/s y m/s; en los ámbitos de la hidráulica o la hidrogeología es habitual observar notaciones como cm/dia, m/año y similares. Son diversos los factores que determinan la permeabilidad del suelo, entre los cuales, los más significativos son los siguientes: - Granulometría (tamaño de grano y distribución granulométrica.)


UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL - Composición química del material (naturaleza mineralógica) Como regla general podemos considerar que a menor tamaño de grano, menor permeabilidad, y para una granulometría semejante (arenas, por ejemplo) a mejor gradación, mayor permeabilidad. En cuanto al quimismo, y para el caso de arcillas y limos, la presencia de ciertos cationes (Sodio, Potasio) es un factor que disminuye la permeabilidad en relación a otros (Calcio, Magnesio). A efectos únicamente indicativos, el DB SE-C propone los siguientes rangos de variación para la permeabilidad en función del tipo de terreno (tabla D28):

Valores orientativos del coeficiente de permeabilidad, DB SE -C

k z: coeficiente de permeabilidad vertical (se asume que la anisotropía de los suelos, especialmente de las arcillas estratificadas, puede comportar variaciones significativas en la magnitud del coeficiente de permeabilidad medido en el plano horizontal.)

Medida de la permeabilidad: ensayos de laboratorio y ensayos

“in situ”

La estimación de la permeabilidad en suelos tiene diversos intereses, algunos directos en el proyecto de una edificación, como puede ser la valoración de la influencia de las aguas subterráneas


UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL sobre construcciones soterradas (plantas sótano, por ejemplo) a efectos de diseño de sistemas o procedimientos de impermeabilización o drenaje. En tal sentido, el Código Técnico de la Edificación – en su documento básico dedicado a la salubridad (DB HS) – requiere de la valoración cuantificada de la permeabilidad del terreno en contacto con las soleras y las estructuras de contención. La estimación de la permeabilidad de los suelos (y en su caso, del macizo rocoso) puede realizarse mediante tres clases de procedimientos: - Valoración de la permeabilidad mediante relaciones empíricas establecidas entre la misma y alguna característica del suelo, generalmente su granulometría. - Medida directa de la permeabilidad sobre una muestra adecuada (inalterada) en laboratorio. - Estimación directa de la permeabilidad “in situ”, realizada durante la ejecución de sondeos o pozos, consistentes en la medida de las pérdidas en una columna de agua con la que se ha inundado la perforación. De entre los ensayos “in situ”, los métodos que se citan generalmente

corresponden a los ensayos Lugeon (habitualmente realizado en macizos rocosos fracturados), Lefranc (llevado a cabo generalmente en suelos relativamente permeables) y Slug Test (también en suelos permeables.)

Para el caso de suelos poco permeables, los ensayos “in situ” son poco adecuados,

requiriéndose la toma de muestras y la realización de ensayos en laboratorio sobre las mismas. Según el objeto de la investigación puede escogerse entre ensayar muestras adecuadamente


UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL inalteradas (si es posible su obtención), o representativas, las cuales se recompactan en el laboratorio para obtener probetas que reproduzcan las condiciones del terreno. Una vez confeccionada la probeta a ensayar, el material se satura y se induce a través del mismo un flujo, cuyo caudal es medido en condiciones preestablecidas. Los métodos habituales de laboratorio son los siguientes: - Sobre muestras inalteradas o recompactadas: ensayo en célula triaxial, con presión en cola, bajo carga constante o variable (se trata del ensayo más adecuado para suelos de muy baja permeabilidad.) - Sobre muestras recompactadas:



Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga constante (generalmente en suelos de permeabilidad alta).



Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga variable (apto para suelos de permeabilidad media a baja). Los ensayos de carga constante consisten en el mantenimiento del gradiente

hidráulico, determinando el caudal necesario para que dicha carga hidráulica se mantenga constante. En los ensayos de carga variable, en cambio, se inicia el proceso bajo un gradiente determinado, y se observa la variación del mismo con el tiempo. Las siguientes figuras ilustran los métodos operativos descritos tanto para ensayos en sondeo como en el laboratorio:



E nsayo Lefranc bajo carga constante

Esquema del sistema utilizado para la medida de la permeabilidad “in situ” mediante el

ensayo Lugeon (nótese la colocación de un obturador en el sondeo, que impide la subida del nivel de la columna de agua por la perforación, y el mantenimiento de la presión hidráulica en la sección ensayada a presión constante, midiendo el caudal inyectado.)



E nsayo Lefr anc bajo carga variable

Esquemas de los procedimientos utilizados para la medida de la permeabilidad “in situ”

mediante el ensayo Lefranc (en este caso se puede optar por mantener la columna de agua a nivel constante, midiendo el caudal necesario para estabilizarla, o variable, midiendo la variación del gradiente.)



E squema del equipo de laboratorio para ensayos de suelos en célula confinada y mediante carga constante (Das, 1998)

El procedimiento consiste en establecer valores representativos del coeficiente de permeabilidad de suelos granulares que pueden presentarse en depósitos naturales como los localizados en terraplenes los utilizados como capa de base de pavimentos. Para limitar la influencia de la consolidación durante el ensayo este procedimiento se limita a suelos granulares disturbados que no contengan más del 10% de suelo que pase a través de un tamiz de 75mm (#200). MECÁNICA DE SUELOS II


IV.

EQUIPOS Y MATERIALES

1) PERMEÁMETRO: Debe contener muestras cilíndricas con diámetro mínimo de aproximadamente 8 a 12 veces el tamaño de la partícula máxima. El permeámetro debe estar equipado por: (1) una piedra porosa o una malla adecuadamente reforzada en la base con una permeabilidad mayor que la de la muestra de suelo, pero con aberturas suficientemente pequeñas (no mayores al 10% del tamaño de las partículas más finas) para evitar el movimiento de partículas; (2) manómetro para medir la perdida de carga, h sobre una distancia l equivalente a por lo menos el diámetro del cilindro; (3)una piedra porosa o una malla adecuadamente reforzada con un resorte fijado en la parte superior, o algún otro accesorio, para aplicar la ligera presión de resorte de 2.2 kilogramos a 4.5 kilogramos, cuando la piedra este fijada en su lugar. Eso mantendrá la densidad del volumen del suelo sin cambios significativos durante la saturación de la muestra y la prueba de permeabilidad.



1) CALIBRADOR (pie de rey): es un instrumento utilizado para medir dimensiones de objetos relativamente pequeños, desde centímetros hasta fracciones de milímetros (1/10 de milímetro, 1/20 de milímetro, 1/50 de milímetro).

2) MANÓMETROS DE TUBOS: con escalas métricas para medir carga de agua. 3) BALANZA: con una capacidad para 2 kg (4.4 libras), sensible a 1 g (0.002 libras).



1) INSTRUMENTOS DIVERSOS : Cronómetro, papel filtro, mazo compactador, recipientes para mezclar, respectivamente.



2) MUESTRA: Se debe seleccionar, por medio del método de cuarteo una muestra representativa de suelo granular secado al aire, que contenga menos del 10% del material que pase por un tamiz de 75 mm (#200) o igual para una cantidad suficiente para satisfacer los requerimientos. Del material que se ha descartado las partículas más gruesas, seleccionar por medio del método del cuarteo una muestra para ensayo; la cantidad puede ser la misma o aproximadamente el doble de la que necesito para llenar la celda del permeámetro.



V.

PROCEDIMIENTO

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA PARA EL ENSAYO DE PERMEABILIDAD Nivelar la superficie superior del suelo colocando la piedra porosa superior o malla en posición y haciéndola girar despacio hacia atrás y hacia adelante. Medir y registrar: la altura definitiva de la muestra, H 1-H2, midiendo la altura H2 desde la superficie superior perforada para medir H 1 hasta la parte superior de la piedra porosa superior o malla en cuatro puntos simétricamente ubicados, luego de comprimir ligeramente el resorte para fijar la piedra porosa o mala durante las mediciones; el peso final del suelo secado al aire utilizado en el ensayo (W 1-W2) que se estuvo pasando el remanente del suelo, W 2 que quedó en el recipiente. Calcular y registrar los pesos unitarios, relación de vacíos y la densidad relativa de la muestra del ensayo. Con el relleno en su lugar, presionar la piedra superior contra el resorte y asegurarlo a la parte del cilindro del permeámetro, sellando herméticamente. Luego que la muestra está saturada y el permeámetro lleno de agua, cerrar la válvula de la base del conducto de salida. Es necesario asegurarse de que el sistema de corriente de agua y los manómetros estén de aire y funcionando satisfactoriamente. Llenar el conducto de entrada con agua del tanque de carga constante abriendo moderadamente la válvula del filtro del tanque. Luego conectar el conducto de entrada a la parte superior del permeámetro, abrir ligeramente la válvula de entrada y abrir también ligeramente las llaves del manómetro para dejar que el agua fluya, de esa manera se les libera de aire. Conectar los conductos del manómetro de agua y llenarlos de agua para remover el aire. Cerrar la válvula de entrada y abrir de salida para permitir que el agua en los conductos del manómetro alcance su nivel de agua estable bajo una carga cero.



PROCEDIMIENTO Y DESARROLLO 1) Abrir ligeramente la válvula de entrada del tanque de filtración para el primer flujo para las condiciones señaladas en 3.1.3, retardar las mediciones de cantidad de flujo y calentar hasta que las condiciones de carga sean estables, es decir, sin variación apreciable en el nivel alcanzado en el manómetro de agua. Medir y registrar el tiempo, t, carga, h (la diferencia de niveles en los manómetros), la cantidad de flujo, Q, y temperatura del agua, T. 2) Repetir los ensayos incrementando las cargas hasta 0.5 cm para determinar la región de flujo laminar con velocidad, v (donde v= Q/At), directamente proporcional al gradiente hidráulico, i (donde i=h/L). Cuando estamos fuera de una relación lineal indicando el inicio de las condiciones de flujo turbulento, entonces se puede utilizar cargas e intervalos de 1 cm para realizar el ensayo a lo largo de la región de flujo turbulento para definir esta región, si es importante, para las condiciones de campo.

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO EN PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE Se deben seguir los siguientes pasos considerando un permeámetro tipo:

a) Ensamblado del aparato con los elementos arriba mencionados.


UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL b) Preparación de la celda: Se debe verificar que la celda esté limpia y seca y determinar su Peso, diámetro y altura. Además verificar la estanqueidad de la misma.

c) Preparación de la muestra: En todos los casos la muestra debe calzar perfectamente en la célula sin dejar cavidades en su perímetro. Si se desea obtener la permeabilidad vertical la muestra deberá prepararse considerando éste eje. , Si se busca la permeabilidad horizontal paralela al sentido de los estratos se tomará el eje horizontal como guía. Se debe pesar la muestra y determinar la humedad. Si se tratan de muestras recompactadas, el suelo a la Humedad requerida es compactada en el molde para llegar a la densidad buscada. En éste caso también se deberá pesar y determinar humedad. Se colocará una piedra porosa en la base de la muestra y otra en contacto con su cara superior.



d) Saturación de la muestra: Haciendo vacío saturar la muestra el tiempo que sea necesario Aplicar una succión baja hasta verificar la saturación y la ausencia total de burbujas de aire en la muestra.

e) Permitir el paso de agua, abriendo la llave correspondiente, verificando que no quede aire entrampado en las conexiones con cada uno de los tubos. f) Realización del ensayo propiamente dicho: Permitir el paso del agua a través de la muestra. Cuando el caudal sea uniforme, iniciar la recolección de agua en el depósito graduado. Cronometrar el tiempo de ensayo.

g) Informe de resultados: El k medido es multiplicado por un factor de corrección que tiene en cuenta la temperatura de ensayo y permite expresar el coeficiente k a la temperatura normal de 20 º C. Debería indicarse además peso de la muestra, humedad, relación de vacíos, gravedad específica de los sólidos y una descripción completa de la muestra incluyendo fisuras, estratificaciones, método de obtención y preparación de la muestra y su orientación.


VI.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL CÁLCULOS Y RESULTADOS Calcular el coeficiente de permeabilidad, k, tal y como sigue: =

.  . . ℎ

Dónde: “k”

=

Coeficiente de permeabilidad,

“Q”

=

Cantidad de carga descargada,

“L”

=

Distancia entre manómetros,

“A”

=

Área transversal de la muestra,

“t”

=

Tiempo total de descarga,

“h”

=

Diferencia de cargas en los manómetros.

Corregir la permeabilidad a 20 °C (68 °F) multiplicando k por la relación entre la viscosidad del agua a la temperatura del ensayo y entre la viscosidad del agua a 20 °C (68 °F).



CÁLCULOS 1. Calculamos el factor de corrección de temperatura (fc) para la viscosidad del agua a

T° de 20°C, mediante la siguiente ecuación:

 =

 °

Dónde: Ɣt es igual a la viscosidad del agua a T° de 28°C; Ɣ20°C,

es la viscosidad

del agua a T° de 20°C; f c valor obtenido de la tabla:

 =

0.832 1.000

= 0.832

2. Calculamos el valor del coeficiente de permeabilidad, según la ecuación:

=

.  . ∆ℎ. 

DATOS DEL ENSAYO

CILINDRO DEL PERMEÁMETRO D= 7,6 cm L= 7,6 cm    = ∗   = ∗ (7,6) = 45,36   4 4

Nº 1 2 3 4

VOLUMEN (mL) ΔH (Cm) 900 33 900 42 900 40,2 900 30,3 PROMEDIO

TIEMPO (seg) 38,31 38,90 38,75 38,81


K 0,1193 0,0923 0,0968 0,1282 0,1092





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