Carga constante

Mecánica de Suelos I Carrera de Ingeniería Civil Facultad de Ciencias y Tecnología Universidad Mayor de San Simón

Documento elaborado por : Laboratorio de Geotecnia Universidad Mayor de San Simón Cochabamba, febrero de 2004

Permeabilidad de suelos granulares

Página

1

de

8

PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES, MÉTODO DE CARGA CONSTANTE (ASTM D2434 – 68) El presente documento es una guía de enseñanza elaborada por el Laboratorio de Geotecnia de la Universidad Mayor de San Simón, basada en el método de ensayo estándar para la determinación de la permeabilidad de suelos granulares por el método de carga constante, ASTM D2434 - 68

1. RESUMEN EJECUTIVO En el presente informe 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. 2. PROPOSITOS Y ALCANCE Determinar el coeficiente de permeabilidad para flujo laminar a través de suelos granulares. El coeficiente de permeabilidad, k, representa la relación que existe entre la velocidad promedio de flujo, v, y el gradiente hidráulico, i, necesaria para la existencia de flujo (Ec. 1).

k=

v i

(1)

3. CONDICIONES FUNDAMENTALES DEL ENSAYO Las siguientes condiciones fundamentes son requeridas en el método de carga constante de suelos granulares para garantizar el flujo laminar a través de la muestra. −

Continuidad de flujo sin cambio de volumen durante el ensayo.

−

Flujo con los poros saturados sin la presencia de burbujas de aire.

−

Flujo en estado permanente sin cambios en el gradiente hidráulico.

−

Proporción directa entre la velocidad de flujo y los valores de gradiente hidráulico hasta el inicio del flujo turbulento.

−

Cualquier otro tipo de flujo relacionado con saturación parcial de los poros, flujo turbulento, estado no permanente, etc., requiere procedimientos y condiciones especiales.

4. MATERIALES Y EQUIPOS −

Permeámetro de carga constante (Figura 1), deberá tener un diámetro interno de 12 veces el tamaño máximo de partícula. Un diámetro de 76 mm admite un tamaño máximo de 9,5 mm (i.e. abertura de 3/8”). El permeámetro deberá estar equipado con diferentes filtros, de mayor permeabilidad que la del suelo pero con aberturas lo suficientemente pequeñas para impedir el paso del material fino (no mayor al 10% del material fino).

−

Tanque de carga constante, como se muestra en la Figura 1, para remover el aire y abastecer de agua y presión hidrostática constante al permeámetro durante el ensayo.

−

Piezómetros, con escalas en milímetros, para medir la altura del agua.

−

Balanza, con una precisión mínima de 0,5 g.

−

Cuchara, con una capacidad de 100 g.

−

Horno de secado, capaz de mantener una temperatura de 110 ± 5ºC.

Laboratorio de Geotecnia

Universidad Mayor de San Simón

Permeabilidad de suelos granulares

−

Termómetro.

−

Cronómetro.

−

Equipo de accesorio: embudos, espátulas, cuchillos, etc.

Página

2

de

8

5. MUESTRA A ENSAYAR Seleccionar mediante cuarteo una muestra representativa del suelo granular, secada al aire, con menos del 10% de material que pasa el tamiz No. 200, en la cantidad necesaria para satisfacer los siguientes requerimientos (Vea figuras 2 y 3): −

Realizar un análisis por tamizado en una serie completa hasta el tamiz #200 en una muestra representativa del suelo antes de realizar la prueba de permeabilidad, Figura 4.

−

Posteriormente, todas las partículas mayores a 19 mm (3/4”) serán separadas mediante el respectivo tamiz. Este material no será usado durante la prueba de permeabilidad, Figura 5. El porcentaje de sobre tamaño deberá ser registrado.

−

Del material de donde el sobre tamaño ha sido retirado, seleccionar, por medio de cuarteo, la muestra en la cantidad suficiente para llenar 2 veces el permeámetro.

6. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA −

El permeámetro disponible tiene un diámetro de 76 mm, que limita su utilización a suelos con un tamaño máximo de partículas de 9,5 mm (pasa el tamiz 3/4”), y a muestras con menos del 35 % del material total retenido en el tamiz No.10 (2 mm).

−

Determinar inicialmente el diámetro interior, D, del permeámetro (Figura 6), las longitudes, L13, L1-2 y L2-3, entre las salidas de los piezómetros 1, 2 y 3 respectivamente.

−

Determinar el área de la sección transversal del cilindro, A.

−

Colocar una capa de grava (retenida en el tamiz No. 10) 5o mm por debajo del la entrada al primer permeámetro y luego colocar el filtro, Figura 7. Determinar el peso del permeámetro más los filtros inferiores, W1.

−

Determinar la altura H1 desde la parte superior del permeámetro hasta el tope del filtro inferior la profundidad H1, obtenida del promedio de mediciones en cuatro puntos dispuestos simétricamente.

−

Tomar una pequeña porción del material para el ensayo y determinar el contenido de humedad. Registre los números de identificación de las latas y sus pesos, y el peso de la lata más la muestra extraída.

−

Llenar la muestra en el permeámetro hasta 50 mm después de la salida del tercer piezómetro. Compactar el suelo en capas delgadas y uniformes (no menos de 15 mm) hasta alcanzar la densidad relativa deseada, Figura 8. (Nota 1).

Nota 1. Para motivos didácticos, no se realiza el proceso de compactación debido al daño que sufre el permeámetro de plexiglas durante esta etapa. −

Una vez colocado todo el suelo hasta el nivel especificado, registrar el peso del permeámetro más filtros inferiores y muestra húmeda, W2.

−

Determinar la altura H2 desde la parte superior del permeámetro hasta la muestra

−

Obtener la altura de la muestra (H1-H2) y determinar el volumen de la muestra de suelo, mediante la ecuación del volumen de un cilindro recto.

−

Colocar el filtro y completar con grava hasta el tope del permeámetro (Figura 9).

Laboratorio de Geotecnia

Universidad Mayor de San Simón

Permeabilidad de suelos granulares

Página

3

de

8

−

Determinar el peso de la muestra, (W2 –W1) y determinar el peso unitario de la misma.

−

Colocar la tapa superior del permeámetro, ajustando al tope para evitar espacios vacíos entre la tapa y la gravilla de filtro. Sellar bien la tapa superior y ajustar el resorte.

−

Armar el permeámetro al sistema de mangueras y tanques, comos e muestra en la Figura 1 y 10.

−

Proceder con la saturación de la muestra ya sea mediante una bomba de vació (Nota 2) o dejando entrar lentamente agua del tanque de carga constante a través de la válvula de entrada (Nota 3), saturando la muestra de este modo de abajo a arriba. Abrir la válvula de salida para permitir el escape de aire, no obstante controlar la misma cuando la saturación este culminando.

Nota 2. Actualmente no se emplea la bomba de vació debido a la alteración que sufre la muestra en el permeámetro al ser sometida a la succión. Nota 3. El tanque tiene una carga aproximada de 1650 mm de agua. −

Una vez que la muestra ha sido saturada y el permeámetro está totalmente lleno de agua (i.e. saturación del filtro de gravilla) cerrar las válvulas entrada y salida y la válvula del tanque.

−

En este paso se debe verificar que todo el sistema este libre de aire incluyendo los tubos que conectan a los piezómetros y los que conectan al permeámetro. Para el conducto que conecta el tanque con la válvula de entrada, se deberá sacar la manguera en el extremo que se conecta con el permeametro (manteniendo la válvula de entrada cerrada) y dejar caer un poco de agua (abriendo suavemente la válvula del tanque de altura constante), luego reconectar la manguera a su lugar inicial. Para las mangueras piezométricas, se debe echar agua a los tubos, luego abrir las válvulas de las mangueras que conectan el permeámetro con los piezómetros y esperar su estabilización. Finalmente abrir las válvulas de entrada y salida del permeámetro (con la válvula del tanque de carga constante cerrada) y esperar un tiempo hasta que los niveles de los piezómetros se estabilicen.

7. PROCEDIMIENTO 1. Abrir suavemente la válvula de entrada del tanque para mantener el nivel de agua constante. 2. Esperar cierto tiempo hasta alcanzar una condición estable donde no se vea una variación de nivel apreciable en los permeámetros (Figura 11). 3. Registrar las alturas iniciales h1, h2 y h3 (niveles de los permeámetros), Figura 12. 4. Medir el tiempo, t, que se necesita para alcanzar un volumen de flujo V del orden de 750 a 900 ml, Figura 13. 5. Registra la temperatura del agua contenida en el recipiente de volumen de flujo, T (Figura 13). 6. Registrar las alturas finales h1’, h2’ y h3’ (niveles de los permeámetros). 7. Para determinar un coeficiente de permeabilidad representativo, repetir 2 a 3 veces la prueba, es decir repetir la lectura de V utilizando el mismo tiempo (o cercano al mismo) y asemejando las mismas condiciones. 8. Para completar el ensayo de permeabilidad drenar el agua de la muestra y establecer si el ensayo ha sido homogéneo e isotrópico. Cualquier línea horizontal clara u oscura es evidencia de que ha existido una segregación de finos, Figura 14. 8. CÁLCULOS Los datos obtenidos durante todo el procedimiento del ensayo son los siguientes: −

Diámetro del permeámetro interno que es igual al diámetro de la muestra, D.

Laboratorio de Geotecnia

Universidad Mayor de San Simón

Permeabilidad de suelos granulares

Página

4

de

8

−

Longitudes entre los tubos de salida a los piezómetros, L1-2, L1-3, L2-3.

−

Longitud de la parte superior del permeámetro al inicio del filtro inferior H1.

−

Longitud de la parte superior del permeámetro al final de la muestra, H2.

−

Peso del permeámetro más los filtros inferiores, W1.

−

Peso del permeámetro más los filtros inferiores y la muestra húmeda, W2.

−

Pesos húmedos y secos de las muestras extraídas como representativas del suelo ensayado, para la determinación del contendido de humedad.

−

Alturas de los permeámetros antes y después de cada prueba, h1, h2, h3, h1’, h2’ y h3’ respectivamente.

−

Tiempo de duración del ensayo de cada prueba, t.

−

Volumen del flujo de agua del ensayo de cada prueba, V.

−

Temperatura del ensayo de cada prueba, T.

Los datos que debe conocerse del suelo son: −

Gravedad específica de los sólidos, que debe hallarse mediante el respectivo ensayo. En caso de no tener podrá usarse el valor teórico de Gs = 2,65.

Los datos que deben calcularse son: −

Peso húmedo de la muestra ensayada, W.

W = W2 − W1

(2)

−

Humedad promedio de la muestra a partir de los pesos húmedos y secos de las muestras extraídas, w%.

−

Peso seco de la muestra ensayada, Wd.

Wd =

W w% 1+ 100

−

Peso unitario húmedo y seco de la muestra, γ y γd.

−

Relación de vacíos, e. e=

−

Gsγ w

γd

−1

(3)

(4)

Coeficiente de permeabilidad para el gradiente hidráulico que se genera entre la longitud de muestra L1-3, lecturas h1 y h3:

k1−3 =

V ⋅ L1−3 A ⋅ t ⋅ h1−3 (5)

donde:

h1−3 = −

(h3 − h1 ) + (h3 '− h1 ') 2

(6)

Coeficiente de permeabilidad para una temperatura de 20 ºC (el valor de k está generalmente dado para esta temperatura) utilizando la ecuación 5.

Laboratorio de Geotecnia

Universidad Mayor de San Simón

Permeabilidad de suelos granulares

k 20 º C = k T ºC

Página

ηT ºC η 20 º C

5

de

8

(7)

donde:

kT ºC = Coeficiente de permeabilidad a la temperatura del ensayo T ºC. k 20ºC = Coeficiente de permeabilidad a una temperatura de 20 ºC.

ηT ºC = Viscosidad del agua a la temperatura del ensayo T ºC

η 20ºC = Viscosidad del agua a una temperatura de 20 ºC La Tabla 1 muestra valores de la relación de

ηT ºC en función de la temperatura. η 20 º C

Tabla 1. Relación de viscosidades cinemáticas relativas a la viscosidad cinemática a 20ºC (Das, 1998) Temperatura, ºC

ηT ºC η 20 º C

Temperatura, ºC

ηT ºC η 20 º C

15

1,135

23

0,931

26

1,106

24

0,910

17

1,077

25

0,889

28

1,051

26

0,869

19

1,025

27

0,850

20

1,000

28

0,832

21

0,976

29

0,814

22

0,953

30

0,797

Los siguientes valores de gradiente hidráulico, h/L, son recomendados para identificar un flujo laminar en las muestras: −

Suelos granulares gruesos de 0,2 a 0,3 (Dependiendo de su densidad relativa)

−

Suelos finos de 0,3 a 0,5.

9. INFORME El informe del ensayo deberá contener entre otros aspectos la siguiente información: −

Nombre del proyecto, fecha, ubicación y profundidad de la muestra.

−

Análisis granulométrico, tamaño máximo de partículas y porcentaje del material no utilizado en el ensayo.

−

Descripción de la muestra y clasificación SUCS.

−

Operador del ensayo.

−

Tipo de la muestra, si es disturbada o no disturbada.

−

Peso unitario seco, índice de vacíos, contenido de humedad, densidad relativa, máxima y mínima densidad (Nota 4).

Laboratorio de Geotecnia

Universidad Mayor de San Simón

Permeabilidad de suelos granulares

Página

6

de

8

Nota 4. No se realiza el ensayo de densidad relativa debido a que no se tiene el equipo para la realización. −

Planilla de cálculo de laboratorio del coeficiente de permeabilidad.

−

Gráfica de V/At versus gradiente hidráulico, h/L.

Laboratorio de Geotecnia

Universidad Mayor de San Simón

Página 7 de 8

Permeabilidad en suelos granulares

Piezómetros

h1-h2

Tanque reservorio

Tanque de carga constante

h2-h3

Ducto de suministro

H1

H2

Válvula de salida

L 3-2

Gravilla

Ducto de carga

h1-h3

Ducto de descarga

2

Muestra de suelo

Filtro superior

Tanque

Te r mó m

Válvulas piezómetros

e tro

3

L 2-1

L 3-1

1 Ma ngueras piezométricas

Gravilla

Filtro inferior

Válvula de entrada

Figura 1. Esquema del permeámetro de carga constante

Figura 2. Cuarteado de toda la muestra

Laboratorio de Geotecnia

Figura 3. Reducción en cuarteador de 1/2” de abertura

Figura 4. Tamiza do de la serie completa hasta el tamiz # 200 Universidad Mayor de San Simón

Página 8 de 8

Permeabilidad en suelos granulares

Figura 5. Tamizado a través del tamiz de 3/4”

Figura 6. Obtención de las dimensiones del permeámetro (diámetro interno)

Figura 7. Instalación de los filtros inferiores hasta 5cm por debajo de la salida del primer piezómetro

Figura 8. Compactación de la muestra en capas de 15 mm de espesor

Figura 12. Lectura de los piezómetros

Laboratorio de Geotecnia

Figura 9. Instalación del filtro superior

Figura 10. Instalación final del permeámetro

Figura 13. Medida del volumen y la temperatura

Figura 11. Realización del ensayo

Figura 14. Verificación de la existencia de grietas horizontales

Universidad Mayor de San Simón

ANEXO A Planilla de Cálculo

PERMEABILIDAD DE CARGA CONSTANTE (En base a la norma ASTM D 2434-68)

A. DATOS GENERALES Proyecto: Ubicación: Descripción de la muestra: Indetificación de la muestra:

Clases de Laboratorio de Mecánica de Suelos I Progresiva 5+000, Sacaca - Provincia Bolivar SP-SM (arena mal gradada con limo y grava) M-3

Tipo de muestra: Extracción de la muestra:

Inalterada

Alterada

Cliente

GTUMSS

25/04/2003 Superficial V.O.

Fecha: Profundidad: Operador: Recompactada

B. DATOS PREVIOS AL ENSAYO b.1. Datos de la muestra Diámetro Longitud Area Volumen Peso del permeámetro más filtros inferiores Peso del permeámetro más filtros inferiores y muestra húmeda Peso de la muestra Peso de la muestra b.2. Datos del permeámetro Longitud 1-3 Longitud 1-2 Longitud 2-3

75 190 4406 837083 2684 3997 1313 1,29E-02

Medidas sobre el permeámetro Medida 1 Diámetro interno permeámetro, D [mm] 75 Longitud L1-3 [mm] 100 Longitud L1-2 [mm] 50 Longitud L2-3 [mm] 50 Profundidad H1 [mm] 150 Profundidad H2 [mm] 340

mm mm mm2 mm3 g g g kN

0,1 m 0,05 m 0,05 m

b.3. Datos del suelo Contenido de humedad promedio Gravedad específica de los sólidos Índice de vacios Peso unitario húmedo Peso unitario seco

0,0 2,65 0,69 15,4 15,4

2

3

75 100 50 50 150 340

75 100 50 50 150 340

Contenido de humedad inicial Medida Número de lata [-] Peso de la lata [g] Peso lata + suelo húmedo [g] Peso lata +suelo seco [g] Contenido de humedad [%]

% kN/m3 kN/m3

1 20 59,0 132,1 132,1 0,0

2

3

15 56,9 123,7 123,7 0,0

b.4. Curva granulométrica

Tamiz No.

1" 3/4" 1/2" 3/8" 1/4" 4 10 30 50 100 200 Bandeja

Diámetro (mm) 76,2 50,8 38,1 19,0 13,0 9,0 6,3 4,750 2,000 0,600 0,300 0,150 0,075 0,000

Peso ret.(g) 0,00 0,00 0,00 294,91 281,56 252,43 257,95 159,45 448,24 398,15 1296,56 2034,96 578,96 180,78

Peso ret. acum. (g) 0,00 0,00 0,00 294,91 576,47 828,90 1086,85 1246,30 1694,54 2092,69 3389,25 5424,21 6003,17 6767,45

g g

6169,0 g 5585,5 g

% retenido

% que pasa

0,00 0,00 0,00 4,36 8,52 12,25 16,06 18,42 25,04 30,92 50,08 80,15 88,71 100,00

100,00 100,00 100,00 95,64 91,48 87,75 83,94 81,58 74,96 69,08 49,92 19,85 11,29 0,00

Grava

Arena

Limo y arcilla

100

80

Porcentaje que pasa, %

Peso del recipiente: Peso de la muestra seca + recipiente : Peso de la muestra seca WS : Peso seco de la muestra retenida en el No 200 después del lavado

60

40

20

6183,95 Porcentaje del material de sobre tamaño Porcentaje de la muestra que pasa el tamiz de 3/4" Porcentaje de muestra retenida en el tamiz # 10 (debe ser menor a 35%) Porcentaje de la muestra que pasa el tamiz # 200 (debe ser menor a 10%)

UMSS-FCyT-Laboratorio de Geotecnia

4,36 95,64 25,04 11,29

% % % %

0 100,0

10,0

1,0

0,1

0,0

Diámetro de partículas, mm

1

PERMEABILIDAD DE CARGA CONSTANTE (En base a la norma ASTM D 2434-68)

A. DATOS GENERALES Proyecto: Ubicación: Descripción de la muestra: Indetificación de la muestra:

Clases de Laboratorio de Mecánica de Suelos I Progresiva 5+000, Sacaca - Provincia Bolivar SP-SM (arena mal gradada con limo y grava) M-3

Tipo de muestra: Extracción de la muestra:

Fecha: Profundidad: Operador:

Inalterada

Alterada

Cliente

GTUMSS

25/04/2003 Superficial V.O.

Recompactada

C. DATOS DEL ENSAYO

Volumen registrado #

[ml]

1 2 3 4 5 6

288 228 660 695 635

3

V/(A·t)

] 2,88E-04 2,28E-04 6,60E-04 6,95E-04 6,35E-04 [m

[m/s·103]

0,152 0,151 0,150 0,148 0,150

Lecturas del tiempo Minutos

Segundos

7 5 16 17 16

Lecturas iniciales [mm]

Total [s]

11 43 40 45 3

431 343 1000 1065 963

h1

836 836 924 837 837

h2

570 564 558 627 629

h3

184 180 188 203 206

Lecturas finales [mm] h1'

836 836 838 837 836

h2'

562 572 602 687 642

h3'

178 180 193 203 216

h1-3

h/l

[m]

[-]

[ºC]

6,55 6,56 6,91 6,34 6,26

19 19 19 20 21

655 656 691 634 626

Temp.

D. CALCULO DEL COEFICIENTE DE PERMEBILIDAD

#

Relación (V/A·t) [m/s·103]

0,152

1 2 3 4 5 6

0,151

0,150 y = 0,0017x + 0,1388

0,148

0,147 6,6 Relación h/L [-]

∆h1-3

∆h1-2

∆h2-3

0,655 0,656 0,691 0,634 0,626

0,270 0,268 0,301 0,180 0,201

0,385 0,388 0,390 0,454 0,425

Coeficiente de Permeabilidad, (m/s) k1-3

k1-2

k2-3

adoptado

corregido

2,3E-05 2,3E-05 2,2E-05 2,3E-05 2,4E-05

2,8E-05 2,8E-05 2,5E-05 4,1E-05 3,7E-05

2,0E-05 1,9E-05 1,9E-05 1,6E-05 1,8E-05

2,3E-05 2,3E-05 2,2E-05 2,3E-05 2,4E-05

2,4E-05 2,4E-05 2,2E-05 2,3E-05 2,3E-05

Tipo de suelo

R2 = 0,1037

6,4

Diferencia de carga (m)

Tabla referencial, Das (1998) Coeficiente de permeabilidad k [m/s] Límite inferior Límite superior Grava limpia 1,0E-02 1,0E+00 Arena gruesa 1,0E-01 1,0E-04 Arena fina 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-05 1,0E-07 Arcilla limosa 1,0E-08 -----Arcilla

0,149

6,2

F correc Temp. 1,025 1,025 1,025 1,000 0,976

6,8

7,0 La pendiente de la curva es el coeficiente de permeabilidad para cada interbvalode gradiente hidráulico

E. RESULTADOS Coeficiente de permeabilidad a 20ºC, [m/s]

UMSS-FCyT-Laboratorio de Geotecnia

2,3E-05

2