1.5.
DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD.
El ensayo determina el coeficiente de permeabilidad (K) de una muestra de suelo granular o cohesiva, entendiendo por permeabilidad, la propiedad de un suelo que permite el paso del agua a través de sus v a c í o s , b a j o l a a c c i ó n d e u n a c a rg a h i d r o s t á t i c a. N o t o d o s lo s s u e l o s tienen la mis ma permeabil idad, de ah í que se los ha ya dividido en suelos permeables e impermeables, estos últimos son generalmente suelos arcillosos, donde la cantidad de escurrimiento del agua es pequeña y lenta. El grado de permeabilidad de un suelo, se mide por su coeficiente de permeabilidad, el cual se basa en la ley propuesta por Darcy en el Siglo XIX, la cual señala: V
=
K * i
donde: V = velocidad de escurrimiento de un fluído a través del suelo K = coeficiente de permeabilidad propio y característico i = gradiente hidráulico, el cual representa la relación entre la diferencia de niveles (H) y la distancia (L) que el agua recorre Independiente de lo anterior, existen factores que influyen en la permeabilidad de un suelo, como por ejemplo la viscosidad del fluído (varía según la temperatura), el tamaño, continuidad de poros y grietas a través de los cuales pasa el fluído o la presencia de discontinuidades. En laboratorio, la medida del coeficiente de permeabilidad se realiza por medio de permeámetros, los que pueden ser de nivel constante o nivel variable dependiendo del tipo de suelo analizado. La importancia de este coeficiente, es vital para poder determinar por ejemplo: la capacidad de retención de aguas de presas o embalses de tierra, la capacidad de las bombas para rebajar el nivel freático en una excavación y para poder determinar la velocidad de asentamiento de una estructura al escurrir el agua, entre otros.
1.5.1.
Método para suelos granulares. Este método se conoce como ensayo de nivel de agua constante, se aplica generalmente a suelos granulares (arenas) y se consume una cantidad grande de agua para mantener el nivel de esta en forma constante.
- Equipo necesario. -
Aparato de permeabilidad, con conexiones y válvulas de paso para poder saturar la muestra de ensaye (figura 1.19.). Cilindro graduado. Recipiente graduado de 500 a 1000 ml. de capacidad. Herramientas y accesorios. Cronómetro, recipientes plásticos y termómetro.
F i g u r a 1 .1 9 . P e r m e á m e t r o d e n i v e l d e a g u a c o n s t a n t e . Fuente: Bowles J., 1982.
-
P r o c e d i m i e n t o . S e d e t e r m i n a e l p e s o y v o l u m e n d e l p er m e á m e t r o a utilizar. L u e g o , s e v a c í a l a m u e s t r a e n e s t a d o s u e l t o d e n tr o d e l molde y se compacta, ya sea sometiéndola a algún tipo de vibración o bien, mediante un pisón compactador. Del suelo restante, se toman dos muestras representativas para determinar la humedad (w). Finalizada la compactación, se enrasa la superficie, se coloca un disco de papel filtro sobre la muestra y luego un empaque de caucho sobre el borde del molde para ajustar la tapa de este. Se sumerge el permeámetro en un estanque con agua, por lo menos 5 cm. bajo el nivel de ésta, con las válvulas de entrada y salida de agua abiertas de modo de poder saturar la muestra durante un p e r í o d o d e ti e m p o d e 2 4 h o r a s . F i n a l m e n t e s e c i e r r an l a s v á l vu l a s y se saca el permeámetro del estanque. Retirado el permeámetro, se conecta el tubo de entrada de éste a una tubería vertical conectada a su vez a un recipiente de nivel de agua constante. S e d e s a i r ea n l a s l í n e a s d e e n t r a d a a l a m u e s t r a,
abriendo simultáneamente las válvulas de entrada y drenaje (salida), hasta remover todo el aire que pueda encontrarse atrapado. A continuación, se cierran las válvulas y se mide la altura del nivel de agua (H). E n l a b o c a d e s a l i d a d e l p e r me á m e t r o , c o l o c a r e l recipiente graduado para recibir el agua escurrida. Luego, abrir simultáneamente las válvulas de entrada, salida y suministro de agua junto con accionar el cronómetro. Registrar el tiempo necesario (seg.) para almacenar entre 750 y 900 ml. de agua y medir la temperatura de ésta. Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando como tiempo de ensayo, el obtenido durante la primera medición. - Cálculos. -
Calcular el factor de corrección de temperatura viscosidad del agua a Tº de 20º C, mediante expresión: fc
=
γt
γ20
donde
:
γt
= viscosidad del agua a Tº x = viscosidad del agua a Tº de 20º C = valor obtenido de la tabla de la figura 1.20.
γ20 γt
-
/
(fc) para la la siguiente
/
γ20
Calcular el coeficiente de permeabilidad (K) deducido a partir de la ley de Darcy, mediante la siguiente expresión: K = q / ( i * A * t ) ( cm/seg ) donde: q = c a n t i d a d d e a gu a e s c u r r i d a e n u n t ie m p o t ( c m3 ) i = gradiente hidráulico (H/L) A = área de la sección de muestra ensayada (cm2) t = tiempo de ensayo (seg.)
-
C a l c u l a r e l c o e f ic i e n t e d e p e r m e a b i l id a d a t e m p e r a t u r a e s tá n d a r d e 2 0 º C ( K 2 0 ) , m e d i a n t e l a s i g u i e n t e e x p r e s i ó n : K 2 0
-
=
K * fc
( cm/seg )
Si se conoce el valor de la gravedad específica del suelo analizado, determinar la relación de vacíos (e) según la densidad del suelo y calcular la velocidad aproximada de escurrimiento del agua (Va), mediante la siguiente expresión: Va
=
( ( 1 + e ) * V ) / e
( cm/seg )
º C
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
10
1 ,3 01
1 , 29 7
1 , 29 4
1 ,2 9 0
1 , 28 6
1 ,2 83
1 ,2 79
1 ,2 75
1 ,2 72
1 ,2 68
11
1 ,2 65
1 , 26 1
1 , 25 8
1 ,2 5 4
1 , 25 1
1 ,2 47
1 ,2 44
1 ,2 40
1 ,2 37
1 ,2 33
12
1 ,2 30
1 , 22 6
1 , 22 3
1 ,2 2 0
1 , 21 6
1 ,2 13
1 ,2 10
1 ,2 06
1 ,2 03
1 ,2 00
13
1 ,1 96
1 , 19 3
1 , 19 0
1 ,1 8 7
1 , 18 4
1 ,1 81
1 ,1 77
1 ,1 74
1 ,1 71
1 ,1 68
14
1 ,1 65
1 , 16 2
1 , 15 9
1 ,1 5 6
1 , 15 2
1 ,1 49
1 ,1 46
1 ,1 43
1 ,1 40
1 ,1 37
15
1 ,1 34
1 , 13 1
1 , 12 8
1 ,1 2 6
1 , 12 3
1 ,1 20
1 ,1 17
1 ,1 14
1 ,1 11
1 ,1 08
16
1 ,1 04
1 , 10 2
1 , 09 9
1 ,0 9 7
1 , 09 4
1 ,0 91
1 ,0 88
1 ,0 85
1 ,0 80
1 ,0 80
17
1 ,0 77
1 , 07 4
1 , 07 2
1 ,0 6 9
1 , 06 6
1 ,0 64
1 ,0 61
1 ,0 58
1 ,0 56
1 ,0 53
18
1 ,0 50
1 , 04 8
1 , 04 5
1 ,0 4 2
1 , 04 0
1 ,0 35
1 ,0 35
1 ,0 32
1 ,0 30
1 ,0 27
19
1 ,0 24
1 , 02 2
1 , 01 9
1 ,0 1 7
1 , 01 4
1 ,0 12
1 ,0 09
1 ,0 07
1 ,0 05
1 ,0 02
20
1 ,0 00
0 , 99 7
0 , 99 5
0 ,9 9 2
0 , 99 0
0 ,9 88
0 ,9 85
0 ,9 83
0 ,9 80
0 ,9 78
21
0 ,9 76
0 , 97 3
0 , 97 1
0 ,9 6 9
0 , 96 6
0 ,9 64
0 ,9 62
0 ,9 60
0 ,9 57
0 ,9 55
22
0 ,9 53
0 , 95 0
0 , 94 8
0 ,9 4 6
0 , 94 4
0 ,9 42
0 ,9 39
0 ,9 37
0 ,9 35
0 ,9 33
23
0 ,9 31
0 , 92 9
0 , 92 6
0 ,9 2 4
0 , 92 2
0 ,9 20
0 ,9 18
0 ,9 16
0 ,9 14
0 ,9 11
24
0 ,9 09
0 , 90 7
0 , 90 5
0 ,9 0 3
0 , 90 1
0 ,8 99
0 ,8 97
0 ,8 95
0 ,8 93
0 ,8 91
25
0 ,8 89
0 , 88 7
0 , 88 5
0 ,8 8 3
0 , 88 1
0 ,8 79
0 ,8 77
0 ,8 75
0 ,8 73
0 ,8 71
26
0 ,8 69
0 , 86 7
0 , 86 5
0 ,8 6 3
0 , 86 1
0 ,8 59
0 ,8 57
0 ,8 56
0 ,8 54
0 ,8 52
27
0 ,8 50
0 , 84 8
0 , 84 6
0 ,8 4 4
0 , 84 2
0 ,8 41
0 ,8 39
0 ,8 37
0 ,8 35
0 ,8 33
28
0 ,8 31
0 , 83 0
0 , 82 8
0 ,8 2 6
0 , 82 4
0 ,8 22
0 ,8 21
0 ,8 19
0 ,8 17
0 ,8 15
29
0 ,8 13
0 , 81 2
0 , 81 0
0 ,8 0 8
0 , 80 7
0 ,8 05
0 ,8 03
0 ,8 01
0 ,8 00
0 ,7 98
30
0 ,7 96
0 , 79 5
0 , 79 3
0 ,7 9 1
0 , 79 0
0 ,7 88
0 ,7 86
0 ,7 85
0 ,7 83
0 ,7 81
31
0 ,7 80
0 , 77 8
0 , 77 6
0 ,7 7 5
0 , 77 3
0 ,7 72
0 ,7 70
0 ,7 68
0 ,7 67
0 ,7 65
32
0 ,7 64
0 , 76 2
0 , 76 1
0 ,7 5 9
0 , 75 7
0 ,7 56
0 ,7 54
0 ,7 53
0 ,7 51
0 ,7 50
F i g u r a 1 . 2 0 . T a b l a d e d e n s i d a d d e l ag u a s e g ú n s u t e m p e r a t u r a . Fuente: Bowles J., 1982.
1.5.2.
Método para suelos finos. Este método se conoce como ensayo de nivel de agua variable, se aplica generalmente a suelos f ino arcilloso o limo arcilloso. E l e n s a y o e n s í e s d e l a r g a d u r a ci ó n , y a q u e generalmente la cantidad de flujo que atraviesa la muestra es muy pequeña. -
E q u i p o n e c es a r i o . Idénticos a los del método anterior, más una bureta graduada con soporte de modo que se mantenga en forma vertical (figura 1.21.).
-
P r o c e d i m i e n t o . S e pr e p a r a la m u e s tr a d e l a mi s m a f o r m a q u e p a r a el método anterior. Retirado el permeámetro del estanque, se conecta el tubo de entrada a la bureta, se llena esta con agua y se registra la altura inicial de carga de agua (h1). Se abren simultáneamente las válvulas de entrada y salida junto con accionar el cronómetro, para dar comienzo al escurrimiento del flujo de agua, hasta que la bureta se encuentre casi vacía. Finalmente, se cierran las válvulas y se registran el tiempo transcurrido y la altura final de agua (h2). Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando los mismos valores de h1 y h2, teniendo la precaución de que el agua se mantenga a una misma temperatura durante todas las mediciones.
Figura 1.21. Permeámetro agua variable. Fuente: 1982.
de nivel de Bowles
J.,
- Cálculos. -
Calcular el factor de corrección de temperatura (fc) para la viscosidad del agua a Tº de 20º C, igual que en el método anterior.
-
Calcular el coeficiente siguiente expresión: K
=
de
permeabilidad
( a * L * Ln ( h 1 / h2 ) ) / ( A * t )
donde: a =
(K),
mediante
( cm/seg )
área de la sección transversal de la bureta (cm2)
la
L = A h1 = h2 = t = Ln= -
a l t u r a d e l a m u e s t r a d e s u e l o (c m . ) = área de la sección de muestra ensayada (cm2) altura de agua al comienzo del ensayo (cm.) altura de agua finalizado el ensayo (cm.) tiempo de ensayo (seg.) logaritmo natural
C a l c u l a r e l c o e f ic i e n t e d e p e r m e a b i l id a d a t e m p e r a t u r a e s tá n d a r d e 2 0 º C ( K 2 0 ) y l a v e l o c i d a d a p r o x i m a d a d e e s c u r r i m i e n t o d e l agua (Va), de acuerdo a los cálculos del método anterior, mediante las siguientes expresiones: K 2 0 = K * fc ( cm/seg ) Va = ( ( 1 + e ) * V ) / e ( cm/seg )
1 . 5 . 3 . O b s e r v a c i o n e s g e n e r a l e s a l o s m é to d o s d e s c r i t o s . -
S e u t i l i z a f r e c u e n t e m en t e c o m o p e r m e á m e t r o , e l m o l d e p a t r ó n d e compactación de 944 cm3, no obstante, la posibilidad de ocupar otros aparatos como por ejemplo de tubería plástica que pueden fabricarse en laboratorio y son relativamente baratos, también es aceptada.
-
E n v e z d e u s a r c o m o f i l tr o s l o s d i s c o s c i r cu l a r e s , c o m o a l t e rn a t i v a se pueden utilizar piedras porosas o colocar una cama de arena protegida con una fina malla de hule.
-
E n e n s a y o s d e l a r g a d u r a c ió n , e s n e c e s a ri o c o n t r o l a r la e v a p o r a c i ó n de agua del recipiente o de la tubería de entrada, por lo que se recomienda realizar los ensayos dentro de un salón de temperatura y humedad controlada.
-
Los resultados de laboratorio pueden no corresponder a los verdaderos valores de terreno debido a la influencia de numerosos factores, como por ejemplo que la estructura in situ es distinta a la del ensayo, el gradiente hidráulico es mayor que el de terreno, puede existir evaporación o haber filtraciones de agua en el equipo.
-
E n l a t a b l a d e l a f i g u r a 1 . 2 2 . s e i n d i c a n a l g u n o s v a lo r e s t í p i c o s d e permeabilidad de suelos según Terzaghi y Peck.
Permeabilidad relativa Muy permeable
Valores de K ( cm/seg ) > 1 * 10
Suelo típico
-1
Grava gruesa
Moderadamente permeable
1 * 10
-1
Poco permeable
1 * 10
-3
a 1 * 10
-5
Arena limosa, arena sucia
Muy poco permeable
1 * 10
-5
a 1 * 10
-7
Limo y arenisca fina
Impermeable
a 1 * 10
-3
Arena, arena fina
< 1 * 10
-7
Arcilla
F i g u r a 1 . 2 2 . T a b l a d e v a l o r e s r e l a t iv o s d e p e r me a b i l i d a d . Fuente: Terzaghi K. y Peck R., 1980. -
E n t e r r e n o e x i s te n v a r i o s m é t o d o s p a r a d e t e r m i n a r e l c o e f i c i e n t e d e permeabilidad, entre los cuales se encuentran: -
i n s t r u m e n t o s e l é c t ri c o s q u e a p l i c a n e l f e n ó m e n o d e l a e l e c tr o osmosis,
-
mediciones indirectas a través del ensayo de consolidación o
-
m e d i c i ó n p o r in t r o d u c c i ó n d e u n tu b o d e d i á m e t r o co n o c i d o e n e l terreno (secuencia de ensayo en la figura 1.23.).
Figura 1.23. Secuencia de una medición in situ. Fuente: ELE Internacional Ltda., 1993.
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo :
Método nivel de agua constante Datos de la muestra Volumen ( cm3 ) : Area ( cm2 ) : Densidad ( grs / cm 3 ) :
Diámetro ( cm ) : Altura ( cm ) : Peso ( grs ) :
Datos del ensayo Altura nivel de agua ( cte ) = Nº Tiempo ( segundos ) 1 2 3 4 5 Promedio
K T = ηT / η20 = k 20 =
Observaciones :
cm. Volumen agua drenado ( cc )
Tº del agua ( º C )
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo :
Método nivel de agua variable Datos del ensayo 2
Area de la tubería = cm Nº Altura inicial ( hi ) 1 2 3 4 5 Promedio
K T = ηT / η20 = k 20 =
Observaciones :
Altura final ( hf )
Tiempo ( seg )
Volumen agua ( cc )
Tº agua (º C )
