Carga Constante
Introducción En el presente trabajo se habla sobre la práctica de carga constante en el cual se dan a conocer ciertos concepto que son necesarios para que el ensayista tenga una mejor compresión de la práctica. También se introduce la ley de Darcy , que es la que se utilizara a la hora de realizar los cálculos y con estos haremos las interpretaciones del ensayo, también se muestran una serie de ilustraciones para observar el procedimiento que se llevó acabo. A continuación se presenta lo antes dicho.
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Carga Constante
Objetivo Determinar el coeficiente de permeabilidad de un suelo por medio del método de carga constante.
Materiales y Equipo
Permeámetro Cronometro Termómetro Probeta graduada Apisonador calibrador Sistema de abastecimiento de agua
Permeabilidad del Suelo IC-683 Mecánica de Suelos I
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Se denomina permeabilidad a la facilidad con que se mueve un fluido a través de un medio poroso. Cualquier material con vacíos es poroso y si los vacíos están interconectados posee permeabilidad. En los problemas de ingeniera geotécnica, el fluido es el agua y el medio poroso es la masa de suelos. Los suelos de acuerdo a la mayor o menor facilidad de permitir el paso del agua a través de sus vacíos pueden ser permeables o impermeables. La permeabilidad de una masa de suelo es importante en: a.) La evaluación de la cantidad de filtración a través o por debajo de presas y diques, hacia pozos de agua. b.) La evaluación de la supresión o fuerzas de filtración bajo estructuras hidráulicas para un análisis de estabilidad. c.)La provisión de un control de las velocidades de filtración de tal manera que las partículas de grano fino no sean erosionadas de la masa de suelo. En 1856, Henri Darcy propuso que el flujo de agua a través de un suelo se expresara como v =ki , donde la velocidad de escurrimiento de un suelo es proporcional a un coeficiente de permeabilidad
k , propia y
característica de cada suelo, y del gradiente hidráulica
i , que es la
ΔH
relación entre la diferencia de niveles agua tiene que recorrer
y la distancia
i=∆ H / L , y el gasto que pasa a través de la
muestra de suelo de sección transversal A, estará dado por En
L , que el
Q=kiA .
las
ecuaciones anteriores aparece una constante física de proporcionalidad k , llamada coeficiente de permeabilidad del suelo, que tiene las unidades correspondientes a una velocidad, lo que ha servido para definir en términos simples el coeficiente de permeabilidad de un suelo como la velocidad del agua a través del mismo, cuando está sujeta a un gradiente hidráulico unitario. Es obvio que en el valor numérico de
k
se reflejan propiedades físicas
del suelo y en cierta medida ese valor indica la mayor o menor facilidad con que el agua fluye a través del suelo, estando sujeta a un gradiente
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hidráulico dado. Esta facilidad a su vez depende de toda una serie de propiedades físicas del suelo, y también de algunos factores, como:
Relación de vacíos del suelo Estructura y estratificación del suelo La existencia de agujeros, fisuras, etc., en el suelo El tamaño y forma del grano del suelo: la presencia de partículas angulares y laminares tiene a reducir k , las que cuando el suelo
está compuesto predominante por partículas redondeadas o esféricas. El grado de saturación del suelo: a medida que aumenta la saturación, k aparentemente se incrementa, en parte este aumento se debe a la disminución en la tensión superficial. La temperatura y viscosidad del fluido: a medida que la temperatura aumenta, la viscosidad disminuye y el coeficiente de permeabilidad aumenta, es decir la velocidad del fluido aumenta. Hay varios procedimientos para la determinación de la permeabilidad de los suelos: unos “directos”, así llamados por que se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medida de tal coeficiente, otros “indirectos”, proporcionados en forma secundaria por pruebas y técnicas que primariamente persiguen otros fines. Estos métodos son los siguientes: A. Método Indirectos 1. Calculo a partir de la curva granulométrica 2. Calculo a partir de la prueba de consolidación 3. Calculo con la prueba horizontal de capilaridad B. Método Directo 1. Permeámetro de carga constante 2. Permeámetro de carga variable 3. Pruebas directas de los suelos en el lugar 1.1 Método Indirecto Dentro de los indirectos haremos mención solamente del método a partir de la curva granulométrica: una relación empírica, que relaciona el D 10 coeficiente de permeabilidad con el tamaño efectivo , de un análisis de tamizado; fue presentado por A. Hazen en 1892. El encontró que para las arenas uniformes con diámetro efectivo comprendido entre 0.1
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y 3mm, el coeficiente aproximadamente como:
de
permeabilidad
podría
ser
expresado
2
K=C D 10 Dónde: k
es el coeficiente de permeabilidad, en cm/s.
D 10 C
es el diámetro efectivo, en cm. es el coeficiente que varía desde cerca de 40 hasta 150. El valor de
C=116
suele mencionarse como un promedio aceptable. Sin embargo
la variación de
C
resuelto excesiva para que la fórmula sea confiable.
1.2 Método Directo Para la determinación del coeficiente de permeabilidad, puede obtenerse un valor aproximado en el laboratorio, usando un ensayo de permeabilidad de carga constante o uno de carga variable, ambos basados en la Ley de Darcy. Estos ensayos se realizan en cilindros especiales (permeámetros), cámaras de presión, o consolidación o en tubos muestreadores. EI tipo de ensayo y el equipo deben ajustarse a los objetivos y de la prueba características del material. El ensayo de carga variable es el más económico para ensayo de larga duración mientras que el de carga constante es preferido para suelos que tienen grandes relaciones de vacíos tales coma grava, arenas y para los cuales es deseable usar una gran cantidad de flujo. Ni el ensayo de carga constante, ni el de carga variable nos permiten obtener el valor del coeficiente de permeabilidad del todo confiable. Algunos factores o limitaciones que reducen su confiabilidad son: 1. El suelo que se utilizó en el permeámetro nunca es igual al suelo que se tiene en el terreno, siempre está algo alterado.
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2. La orientación de los estratos con respecto al flujo de agua es probablemente diferente en el laboratorio. 3. Las condiciones de frontera son diferentes en el laboratorio. Las paredes lisas del permeámetro mejoran los caminos de flujo con respecto a los caminos naturales del terreno. 4. La cabeza hidráulica h puede ser diferente (a veces mucho mayor) en el laboratorio, lo cual causa el lavado del material fino hacia las fronteras, reduciendo el valor de k . 5. El efecto del aire atrapado en la muestra de laboratorio es grande aun para pequeña burbujas de aire, debido al tamaño tan pequeño de la muestra.
1.3 Ensayo de carga constante Este tipo de prueba se utiliza para suelos relativamente permeables, tales cama gravas, arenes y mezclas de arena y grava. Los coeficientes de permeabilidad de esto suelos varían entre
10−2 y 10−3 cm/s .
La prueba consiste en someter a la muestra de suelo a un escurrimiento de agua, bajo una carga constante. El coeficiente de permeabilidad se determinó directamente con base a la Ley de Darcy, a partir del gasto observado, al área de la sección transversal de la muestra, la longitud de la muestra, carga aplicada y la temperatura del agua.
Procedimiento 1. Medir el diámetro interno del permeámetro y determinar su sección transversal. 2. Colocar el material en capa, apisonándolas de manera que la muestra quede uniformemente compactada en todo su espesor. 3. Medir la longitud total
L
de la muestra del suelo.
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4. Colocar el permeámetro en el sistema de abastecimiento de agua. 5. Saturar completamente la muestra y estabilizar la condición de flujo, permitiendo que el agua fluya por un tiempo. 6. Llenar el permeámetro con agua hasta la altura escogida para dar a la muestra el gradiente hidráulico. Mantener esa carga constante durante toda la prueba. 7. Registrar el tiempo necesario para almacenar entre 750 y 900ml de agua en una probeta de 1,000ml. 8. Registrar la temperatura del agua. Repetir 2 o 3 mediciones similares.
Datos Obtenidos Diámetro Interior Longitud de la muestra Altura de Carga de Agua Temperatura
6.32 cm 8.44 cm 98 cm 29 °C
Tiempo Conocido Volumen Conocido (ml) Volumen 20 Conocido 20 (ml) 20 25
Tiempo Desconocido (s) Tiempo 36 Desconocido 38 (s) 38 56 (s)
Volumen Desconocido (ml)
45
23
45
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45
23
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25 25
Tiempo 57 Conocido (s) 61 30
Volumen Desconocido (ml) 12
30
12
30
12
Interpretación
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Ilustraciones
Muestra de suelo utilizada
Apisonando la muestra por capas
Introduciendo la muestra en el permeámetro
Tomando dimensiones de la muestra
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Montaje del ensayo #1
Fuentes de Error
Montaje del ensayo #2
La manguera que estaba conectada al embudo y al permeámetro, esta tenía un agujero lo cual hacia que se perdiera agua y esto lo que ocasionaba es que se llenara más lento la probeta. Al leer la probeta se cometieron errores debido a que la sala era muy oscura y la lectura se leía rápidamente
Glosario No se obtuvo ninguna palabra desconocida en este ensayo.
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Guía 1. Menciones el objetivo del ensayo. R/ Determinar el coeficiente de permeabilidad de un suelo por medio de carga constante. 2. ¿Qué es permeabilidad? R/ Se denomina permeabilidad a la facilidad con que se mueve un fluido a través de un medio poroso. 3. ¿Cómo es el fluido y el medio poroso en los problemas de ingeniería geotécnica? R/El fluido es el agua y el medio poroso es la masa de suelo. 4. ¿Cómo se dividen los suelos según la facilidad con la que dan paso al agua? R/ Permeables o Impermeables. 5. ¿Dónde es importante la permeabilidad en una masa de suelo? R/ La evaluación de la calidad de filtración a través o por debajo de presas y diques, hacia pozos de agua. La evaluación de la sub presión o fuerzas de filtración bajo estructuras hidráulicas para un análisis de estabilidad.
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La provisión de un control de las velocidades de filtración de tal manera que las partículas de grano fino no erosionen la masa del suelo. 6. ¿Qué es el coeficiente de permeabilidad? R/Es la velocidad del agua a través del suelo, cuando está sujeta a un gradiente hidráulico unitario. 7. Explique qué propuso Darcy en 1856. R/ Propuso que el flujo de agua a través de un suelo se expresa como V =ki , donde la velocidad de escurrimiento de un suelo es proporcional a una constante
K (coeficiente
de permeabilidad) propia y característica de cada suelo, y de la gradiente hidráulica i , que es la relación entre la diferencia de niveles y la distancia L que el agua tiene que recorrer. Y el gasto que pasa a través de la muestra de suelo de sección transversal A, estará dada por Q=kiA K ?
8. ¿Que se refleja en el valor numérico de
R/ Se reflejan propiedades físicas del suelo y en cierto medida ese valor indica la mayor o menor facilidad con el que el agua fluye a través del suelo, estando sujeta a un gradiente hidráulico dado. 9. ¿De qué factores depende la facilidad con la que pasa el agua a través del suelo? R/ Los principales de estos factores son: La influencia de la relación de vacíos La temperatura del agua La estructura y estatificación del suelo 10.
¿Cuáles son los métodos para calcular
K ?
R/
Métodos indirectos: Cálculo a partir de la curva granulométrica. Cálculo a partir de la prueba de consolidación. Cálculo con la prueba horizontal de capilaridad.
Métodos directos: IC-683 Mecánica de Suelos I
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Permeámetro de carga constante. Permeámetro de carga variable. Pruebas directas de los suelos en el lugar.
11. Explique estos métodos. R/ Métodos Indirectos Dentro de los indirectos haremos mención solamente del método a partir de la curva granulométrica: Una relación empírica, que relaciona el coeficiente de permeabilidad con el tamaño efectivo de un análisis de tamizado; fue presentado por A. Hazen en 1892. El encontró que para las arenas uniformes con diámetro efectivo comprendido entre 0.1 y 3mm. Métodos directos Para la determinación del coeficiente de permeabilidad, puede obtenerse un valor aproximado en el laboratorio, usando un ensayo de permeabilidad de carga constante o uno de carga variable, ambos basados en la Ley de Darcy. Estos ensayos se realizan en cilindros especiales (permeámetros), cámaras de presión o consolidómetros o en tubos muestradores. El tipo de ensayo y el equipo deben ajustarse a los objetivos de la prueba y características del material. El ensayo de carga variable es más económico para ensayos de larga duración mientras que el de carga constante es preferido para suelos que tienen grandes relaciones de vacíos tales como grava, arenas y para los cuales es deseable usar una gran cantidad de flujo. 12. Factores o limitaciones que reducen la confiabilidad del ensayo. R/ 1. El suelo que se utiliza en el permeámetro nunca es igual al suelo que se tiene en el terreno, siempre está algo alterado. 2. La orientación de los estratos con respecto al flujo de agua es probablemente diferente en el laboratorio. 3. Las condiciones de frontera son diferentes en el laboratorio. Las paredes lisas del permeámetro mejoran los caminos de flujo con respecto a los caminos naturales del terreno. 4. La cabeza hidráulica h puede ser diferente (a veces mucho mayor) en el laboratorio, lo cual causa el lavado del material fino hacia las fronteras, reduciendo el valor de K . 5. El efecto del aire atrapado en la muestra de laboratorio es grande aun para pequeñas burbujas de aire, debido al tamaño tan pequeño de la muestra. 13. Describa el ensayo de carga constante.
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R/ Este tipo de prueba se utiliza para suelos relativamente permeables, tales como gravas, arenas y mezclas de arena y grava. Los coeficientes de permeabilidad de estos suelos varían entre los 10-2 y 10-3cm/s. La prueba consiste en someter a la muestra de suelo a un escurrimiento de agua, bajo una carga constante. El coeficiente de permeabilidad se determina directamente con base a la Ley de Darcy, a partir del gasto observado, el área de la sección transversal de la muestra, la longitud de la muestra, carga aplicada y la temperatura del agua. 14. Mencione el equipo utilizado en el ensayo. R/ Permeámetro, cronometro, termómetro, probeta apisonador, calibrador, sistema de abastecimiento de agua.
Permeámet ro
15. R/
Cronometro Probeta
graduada,
Termómetro
Calibrador Apisonado procedimiento del ensayo? r
¿Cuál es el
1. Medir el diámetro interno del permeámetro y determinar su sección transversal. 2. Colocar el material en capa, apisonándolas de manera que la muestra quede uniformemente compactada en todo su espesor. 3. Medir la longitud total L de la muestra del suelo. 4. Colocar el permeámetro en el sistema de abastecimiento de agua. 5. Saturar completamente la muestra y estabilizar la condición de flujo, permitiendo que el agua fluya por un tiempo. 6. Llenar el permeámetro con agua hasta la altura escogida para dar a la muestra el gradiente hidráulico. Mantener esa carga constante durante toda la prueba. 7. Registrar el tiempo necesario para almacenar entre 750 y 900ml de agua en una probeta de 1,000ml. 8. Registrar la temperatura del agua. Repetir 2 o 3 mediciones similares.
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16. ¿Cuál es la diferencia entre carga constante y carga variable? R/ En el ensayo de carga constante se mantiene el nivel del agua en el permeámetro y en los ensayos de carga variable esto difiere. 17. ¿Qué es la carga de agua? R/ Es el volumen de agua aplicado por unidad de superficie en un determinado período de tiempo.
Conclusiones
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Bibliografía Manual de laboratorio Manual de laboratorio de Mecánica de suelos 1 de la Facultad de Ingeniería Civil, UNAH-VS .
Álvarez-Manilla, A. & Valdez, J. & Garcnica, P. & Martinez, G. (2002). La Permeabilidad De Los Suelos En Los Problemas De Transporte De Contaminantes, Aplicación En La Infraestructura Del Transporte. Métodos de medición de la permeabilidad (2.5). Obtenido el 08 de Noviembre de 2015 del sitio web del Instituto Mexicano del Transporte: http://imt.mx/archivos/Publicaciones/PublicacionTecnica/p t195.pdf
Investigación Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos La permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes tanto al suelo como a características del agua circulante. Los principales de estos factores son:
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La influencia de la relación de vacíos La temperatura del agua La estructura y estatificación del suelo A continuación se analizan la influencia de cada uno de los factores anteriores.
La influencia de la relación de vacíos Es posible analizar teóricamente la variación del coeficiente de permeabilidad de un suelo respecto a su relación de vacíos, siempre y cuando se adopten para el suelo hipótesis simplificada, cuyo carácter permita que las conclusiones del análisis de información sea cualitativamente correcta. Se desarrolla la teoría respectiva, cuyos principios se exponen continuación: La permeabilidad K puede escribirse, en forma desplegada como: K = K’f (e) Esa K’ es una constante real dependiente de la temperatura del agua solamente, que representa el coeficiente de permeabilidad paran e=1 y f(e) es una función de la relación de vacíos y tal que f(1)=1.
Influencia De La Temperatura Del Agua Efectuando un análisis teórico puede verse que el variar la temperatura manteniendo las demás factores constantes existe la relación: k1/k2=2/1 (9-18). Para poder comparar fácilmente los resultados de las pruebas de permeabilidad es conveniente referirnos a una temperatura constante, normalmente a 20°C indicando por el subíndice t los resultados obtenidos a la temperatura de la prueba, la referencia se hace aplicando la relación K20=kt (9 - 19). Experimentalmente se ha encontrado que la anterior relación teórica (918) es correcta para arenas, habiéndose encontrado pequeñas desviaciones en arcillas. Para aplicar la relación (9- 19) es recomendable usar un diagrame que muestre la relación entre la temperatura t de prueba y el coeficiente t/20. En lugar de la relación entre viscosidad cinemática puede usarse la relación de viscosidad absoluta Nt/M20 ya
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que la relación del peso especifico del agua con la temperatura es mínima respecto al cambio de viscosidad.
Influencia de la Estructura y la Estratificación Un suelo suele tener permeabilidad diferentes en estado alterado y remoldeado, aun cuando la relación de vacíos se la misma n ambos casos; esto puede ser debido a los cambios en la estructura y estatificación del suelo inalterado o a una combinación de los dos factores. Pueden observarse variaciones en la permeabilidad debido a que en el re-moldeo quedan libres partículas de suelo y que el agua al fluir las mueve y reacomoda hasta obturar los canales, en otras ocasiones estas partículas son arrastradas al exterior de la muestra, causando la turbidez del agua salada. En tales casos, el coeficiente de permeabilidad varía durante la prueba, esta condición inestable en una fracción de esas partículas de suelo es frecuentemente, resultando de la muestra de materiales provenientes de estratos de características diferentes: esta condición es casi inevitable al probar muestras pre-moldeadas.
Valores tipos para permeabilidad para tipos de suelos
Permeabilidad Relativa
Valores de K (cm/s)
Suelo Típico
Muy Permeable Moderadamente Permeable
>1x10-1
Grava Gruesa
1x10-1 a 1x10-3
Arena, Arena Fina
Poco Permeable
1x10-3 a 1x10-5
Muy Poco Permeable
1x10-5 a 1x10-7
Arena Limosa, Arena Sucia Limo y Arenisca Fina
Impermeable
<1x10-7
Arcilla
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