Características y objetivos de las pruebas de permeabilidad Lefranc y Lugeon utilizadas en campo
Antes de realizar cualquier obra civil, es indispensable verificar que las propiedades del suelo de la cimentación, sean las indicadas para garantizar la estabilidad y funcionamiento adecuado de la obra. En algunos casos, dichas propiedades pueden obtenerse en un laboratorio a partir de muestras inalteradas; sin embargo, es frecuente que al no poder obtener muestras inalteradas o suficientemente representativas, se tenga que recurrir a pruebas de campo para el mismo fin. Las pruebas de campo tienen que adaptarse a las particularidades de cada obra y, en general no hay un procedimiento estándar para llevarlas a cabo, quedando a criterio del ingeniero a cargo. Para las pruebas de permeabilidad realizadas en laboratorio son útiles si la estructura del material del suelo puede considerarse homogéneo, isótropo o anisótropo. En el caso se las formaciones naturales, que generalmente está compuesta por mantos distintos, con variaciones importantes tanto en la disposición de los mismos como en las características de los materiales, es difícil estudiar estos casos a partir de un número limitado de ensayos en muestras inalteradas, en mantos de arena y grava es casi imposible obtener especímenes inalterados, por lo que se hace necesario recurrir a las pruebas de campo. El tipo de prueba más apropiado a realizar en campo en cada caso depende de numerosos factores, tales como el tipo de material, localización del nivel freático y homogeneidad o heterogeneidad de los distintos estratos del suelo, en cuanto a permeabilidad se refiere. Para este estudio se darán a conocer los ensayos mas habituales que se realizan en campo, estas son los ensayos de Lefranc y Lugeon. Ensayo de permeabilidad de Lugeon Maurice Lugeón, fue un geólogo suizo que formulo este método por primera vez en 1933, este ensayo nació como un método de medir la permeabilidad del terreno para proyectos de presa, sobre todo para las inyecciones de cemento. La prueba se utiliza para medir la cantidad de agua inyectada en un segmento del hoyo perforado a una presión constante, el valor se define como la perdida de agua en litros por minuto y por metro de pozo en un exceso de presión de 1 MPa. Posteriormente se ha usado con gran profusión para determinar la permeabilidad de rocas consolidadas en todo tipo de estudio. Este es un ensayo de tipo de carga constante que tiene lugar en una parte aislada del terreno por medio de un pozo de sondeo. El agua a presión constante se inyecta en la masa de suelo a través de una tubería delimitada por los neumáticos Packer como se muestra en la figura 1. Un obturador o Packer es un mango de goma inflable que se expende radialmente para sellar el espacio anular entre la barras de perforación y las paredes.
Figura 1. Configuración de la prueba de
Lugeon.
Antes del comienzo de la prueba se define una presión de prueba máxima (Pmax). Pmax se elige de manera que no exceda el estrés por confinamiento a la profundidad en donde se realiza la prueba, evitando así el desarrollo de la fracturación hidráulica o de gato hidráulico. Como regla general, P max se establece normalmente utilizando la ecuación 1, donde D es igual a la cobertura mínima del suelo, la profundidad en el caso de un sitio plano o la cobertura lateral mínima en el caso de una prueba realizada en una ladera
Pmax =D×
1 psi (1) ft
La prueba se llevó a cabo en cinco etapas, con una magnitud de presión de agua particular en cada etapa. Una sola etapa consiste en mantener una presión de agua constante en el intervalo de prueba durante 10 minutos, mediante el bombeo de agua tanto como se requiera. La primera etapa se lleva a cabo a una baja presión de agua, aumentando la presión en cada etapa posterior hasta llegar a P max. Una vez Pmax se Etapa Descripción Presión aplicada 1 Baja 0.50Pmax 2
Media
0.75Pmax
3
Máxima (pico)
Pmax
4
Media
0.75Pmax
5
Baja
0.50Pmax
alcanza, las presiones se reducen siguiendo las mismas etapas de presión utilizadas anteriormente, describiendo así un "bucle de presión". La tabla 1 muestra las magnitudes de presión utilizadas habitualmente durante las cinco etapas.
Durante la ejecución de cada etapa, deben registrarse cada minuto los valores tanto de la presión de agua (P) como el caudal (Q). Posteriormente, los valores promedio para P y Q se utilizan para calcular la conductividad hidráulica que se expresa en términos como el valor o unidad de Lugeon, que empíricamente se define como la conductividad hidráulica requerida para lograr un caudal de 1 litro / minuto por metro de intervalo de prueba bajo una presión de agua de referencia igual a 1 MPa. (Ecuación 2)
Unidad de Lugeon=α ×
Q P0 × (2) L P
Dado que el valor Lugeon se define en unidades del SI, es necesario introducir un factor adimensional
α
en la ecuación 2 para acomodar el uso de diferentes sistemas de
unidades. Este factor tiene un valor de 1 cuando se utiliza el sistema de unidades SI (Q[lt/min], L[m], y P[MPa]) y este factor tiene un valor de 12,42 cuando se utiliza el sistema ingles de unidades (Q[gal/min], L[ft], y P[psi]. El termino P 0 corresponde a la presión de referencia que es 1 MPa o 145 psi. Ensayo modificado de Lugeon. Este ensayo modificado se deriva principalmente de los trabajos realizados por Houlsby (1976), en su trabajo, propuso que los valores representativos de conductividad hidráulica deben ser seleccionados con base al comportamiento observado en los valores de Lugeon calculados para diferentes presiones en cada una de sus etapas. La prueba "modificada" se diferencia de la prueba estándar (Lugeon, 1993) por el uso de una gama de presiones más bajos. Houlsby (1976) clasifico los comportamientos típicos en el ensayo en cinco grupos diferentes, de la siguiente manera:
Flujo laminar: La conductividad hidráulica (permeabilidad) es independiente de la presión de agua empleada. Este comportamiento es característico en suelos con bajas permeabilidades, cuando las velocidades de filtración son relativamente bajas. Flujo turbulento: La conductividad hidráulica del suelo decrece a medida que la presión de agua aumenta. Este comportamiento es característico en suelos que exhiben “grietas” moderadamente anchas. Dilatación: se observan conductividades hidráulicas similares a presiones bajas y medias; sin embargo, se presenta un valor mucho mayor a presión máxima. este comportamiento (que a veces también se observa a presiones medianas) se
produce cuando la presión del agua aplicada es mayor que la tensión principal mínima del suelo, causando así una dilatación temporal de las fisuras dentro de la masa de roca. La dilatación provoca un aumento en el área de sección transversal disponible para que el agua fluya, y por lo tanto para que aumente la permeabilidad. Lavado: Las conductividades hidráulicas aumentan a medida que se realiza la prueba, independientemente de los cambios observados en la presión del agua. Este comportamiento indica que la filtración induce daño permanente e irreversible en el suelo, por lo general debido a la llenura de lavado y/o a movimientos de roca permanentes. Relleno de vacios: Las conductividades hidráulicas disminuyen a medida que se realiza el ensayo, independientemente de los cambios observados en la presión de agua. Este comportamiento indica que, o bien: (1) el agua llena progresivamente las discontinuidades aisladas-no persistentes, (2) se presenta inflamación en las discontinuidades, o (3) partículas finas fluyen lentamente por medio de las discontinuidades hasta construir una capa que les obstruye.
A continuación se presenta gráficamente los cinco comportamientos definidos por Houlsby en el ensayo de Lugeon:
Figura 2. Analisis del ensayo de Lugeon modificado (por Houlsby (1976)).
Ensayo de Lugeon en macizos rocosos: El ensayo de Lugeon es generalmente utilizado para determinar la permeabilidad en macizos rocosos. Este se realiza en el interior sondeos y bajo el mismo principio permite calcular semicuantitativamente la permeabilidad de los macizos rocosos, en cualquier tipo de litología y de estado de fracturación. El ensayo consiste en introducir al sondeo agua a presión constante, midiendo las admisiones durante un periodo de 10 minutos. Por lo general se ensayan tramos de 5 m de sondeo, aislando el tramo de ensayo del resto del sondeo mediante dos obturadores, este ensayo también es conocido como packer test. Solo será necesario un obturador en el momento que el ensayo se realice en el último
tramo del sondeo. A continuación se muestra en esquema de los valores de Lugeon obtenidos durante un ensayo, para diferentes tipos de litología.
Fig. 3. Resultados de ensayo de Lugeon.
Por medio de la siguiente tabla se hace clasificación de los macizos rocosos en función de su permeabilidad, y se observa como estas depende de las unidades de lugeon y la presión que se aplica.
Tipo de macizo
Unidades de Lugeon
Presión (kp/cm2)
Muy impermeable
0-1
10
Prácticamente impermeable
1-3
10
Permeable
>3
10
1,5-6
5
>3 >6
10 5
Muy permeable
Tabla 1. Clasificación de los macizos rocosos según su permeabilidad (Olalla y Sopeña, 1991).
Ensayo de permeabilidad de Lefranc El ensayo de Lefranc es junto con el ensayo de Lugeon el método más practicado para determinar el coeficiente de permeabilidad de un suelo en el campo (in-situ), dado que es una técnica sencilla en cuanto a costos y trabajo y para su realización se realizan perforaciones de pocos metros (de 2 a 15 metros dependiendo la obra). Para obtener resultados con un alto nivel de confianza este ensayo se realiza en suelos permeables o semipermeables, de tipo granular, situados por debajo del nivel freático, y en rocas muy fracturadas, existen dos métodos para realizar el ensayo, a nivel constante o a nivel variable.
Ensayo de Lefranc con nivel constante: Su procedimiento consiste en rellenar de agua el sondeo y medir el caudal necesario para que el nivel permanezca constante. La medida del caudal de admisión debe realizarse cada 5 minutos manteniendo el nivel constante durante 45 minutos. Si la admisión es muy alta debe medirse cada minuto durante los 20 primeros minutos y después cada 5 hasta llegar a los 45 minutos. La realización del ensayo requiere que, antes de medir tiempos y caudales, se rellene el sondeo de agua, observando que el aire es expulsado y que se estabiliza el nivel y la velocidad de descenso, lo que indica que se a alcanzado un régimen constante. La siguiente figura muestra el esquema del ensayo, con sus correspondientes ecuaciones, que permiten determinar el coeficiente de permeabilidad. Allí C es el coeficiente de forma del sondeo, en donde también se presenta la ecuación para su cálculo.
Fig. 4. Ensayo Lefrac a nivel constante. Hipótesis de cilindro alargado (Olalla y sopeña, 1991).
Ensayo de Lefranc con nivel variable: Este método es poco confiable y meramente indicativo (Jiménez Salas, 1981). Aquí pueden presentarse dos casos: que la zona filtrante tenga un diámetro igual o distinto que la entubación del piezómetro (ver figura 1.a.). Se hace subir el nivel de agua hasta una altura determinada, y posteriormente se miden dos niveles, h1 y h2, entra las que ha transcurrido un tiempo t. El coeficiente de permeabilidad se calcula mediante la siguiente expresión:
8<¿ ln
h1 h2
( )
d 2 ln ( 2 L/d ) K= e ¿
(1)
Donde: K=Coeficiente de permeabilidad. h1 y h2 =Altura de agua al principio y al final del ensayo. t= Tiempo transcurrido entre la observación de los niveles de agua h1 y h2. L= Longitud zona filtrante. d=Diámetro de la zona filtrante. de= Diámetro de la entubación (puede ser igual a d). La siguiente figura muestra de manera clara el diseño del sondeo para el ensayo así como las distancias necesarias para el cálculo del coeficiente de permeabilidad.
Fig. 5. Esquema del sondeo para realizar el ensayo de Lefranc con nivel variable.
Referencias bibliográficas:
González, L. I.; M. Ferrer; L. Ortuño y C. Oteo (2002). Ingeniería Geológica. Prentice-Hall.
Quiñonez Rozo, C., P.E., Lugeon test interpretation, revisited. Collaborative Management of integrated Watersheds. URS Corporation. Roeper, T. R.; Soukup, W. G.; O’Nell, R. L. The Applicability of the Lugeon Method of Packer Test Analysis to Hydrogeologic Investigations. ECKENFELDER INC. Sánchez San Román, F. J., Medidas puntuales de permeabilidad (“Slug tests”). Dpto. de Geología. Universidad de Salamanca (España). 2011.
