Ensayo Permeabilidad de Suelos

PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS La permeabilidad es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de un fluido cualquiera atravez del cuerpo del mismo. Esta propiedad depende de la granulometría con la que está constituido un suelo y de su grado de compacidad. Según la ley de Darcy, la permeabilidad es la cantidad de agua que pasa a través de una sección de 1m 2 y bajo una gradiente hidráulica unitaria, medida en m3/día. Q = K*A*i Donde: Q= Flujo m3/día K= coeficiente de permeabilidad (cm/seg) A = sección transversal (m2) I = gradiente hidráulico (hi – h2) / L = hi – h2 = h H = perdida de carga L = distancia en la que se produce la perdida de carga. La permeabilidad de un suelo puede encontrarse tanto en el terreno (IN SITU) como en el laboratorio. Son más fáciles de efectuar las determinaciones de laboratorio que las de IN SITU. No siempre las mediciones de permeabilidad hechas con muestras de laboratorio son confiables sobre el comportamiento del terreno. Por ello es preciso efectuar ensayos IN SITU. Sin embargo, las pruebas de laboratorio

permiten estudiar la relación entre la permeabilidad y la relación de vacios por lo que se suele efectuar cuando no hay medidas de campo. Estas

mediciones

perforaciones

para

son

puntuales

la

y

obtención

mediante

de

valores

ellas

se

practican

indicativos

de

la

permeabilidad del suelo. Debido a que la permeabilidad depende de la estructura del suelo y debido a lo difícil que es

obtener muestras de suelo representativas,

suelen ser necesarias determinaciones IN SITU de la permeabilidad media. Entre los métodos más utilizados en laboratorio están: 1. El permeámetro de carga variable 2. El permeámetro de carga constante 3. Prueba endométrica El

factor

que

indica

la

permeabilidad

permeabilidad K dado por la ecuación:

se

llama

coeficiente

de

K = -v / i

La seguridad de los valores que se obtienen dependen de la homogeneidad de los estratos probados y de ciertas restricciones de las formulas matemáticas empleadas, sin embargo se tiene un cuidado especial en obrar de acuerdo a los procedimientos recomendados se pueden obtener excelentes resultados ya que con los trabajos de perforación se atraviesan grandes masas de terreno. Existen dos tipos de mediciones: 

Nivel constante: se introduce un caudal conocido para mantener el mismo nivel dentro de la perforación. Al estabilizar el proceso, con ese caudal conocido y la longitud y diámetro de la perforación, se calcula la permeabilidad.



Nivel variable: se introduce o se extrae un volumen de agua en un sondeo de diámetro pequeño (entre 5 y 10 cm) en forma súbita,

esto provoca un descenso o ascenso instantáneo del nivel de agua lo que permite medir las diferencias de nivel/tiempo a medida que va recuperando el nivel original. Se pueden presentar varias formas de ensayo, clasificándolas en 3 grupos 1. Ensayos de permeabilidad en calicatas. 2. Ensayos de permeabilidad en sondeos. 3. Ensayos de permeabilidad en pozos. Cualquiera que sea el caso, el resultado es la obtención de la permeabilidad media de la zona que ha sido afectada por el ensayo, la cual puede variar desde unos decímetros a centenares de metro. 1. Ensayos en calicatas: En las pruebas, es posible realizar ensayos de permeabilidad utilizando el llenado de agua hasta una cota que supere el nivel freático que existe, después se mide el descenso del nivel de agua producido en la cata al paso de un tiempo. 2. Ensayos en pozos: Indicado cuando la permeabilidad del terreno es crítica, por lo regular en grandes excavaciones bajo el nivel freático. Son costosos ensayos, pues es necesaria la excavación del pozo de bombeo y sondeos para alojar los piezómetros y poder medir la evolución de la superficie libre del agua, en diferentes distancias del pozo. 3. Ensayos en sondeos: Para este ensayo, se levanta la entubación, dejando solo una parte del sondeo en el fondo sin la entubación de los lados. Se procede entonces efectuar el ensayo, ya sea en la carga fija o variable, así como también en la alimentación o el achique de agua. Si la carga es variable, se mide la descendencia del nivel de agua en cierto tiempo. Si la carga es constante, se conserva el nivel de agua en el sondeo a través de la adición de un

caudal

determinado,

este

permeabilidad, con la forma:

se

filtra,

dependiendo

de

la

Q = k. H. n •

Donde: H= diferencia de niveles de agua del interior del sondeo y el nivel freático. • K= coeficiente de permeabilidad del suelo. • N= factor de proporcionalidad. Otros ensayos en sondeo son los Lugeon y Lefranc, que se tratan de inyectar agua a presiones crecientes, en un determinado tramo que se encuentra limitado por dos obturadores.

DESARROLLO ENSAYO DE PERMEABILIDAD DE LEFRANC Son ensayos IN SITU que se utilizan para medir el valor del coeficiente de permeabilidad en suelos permeables o semipermeables. Para medir este valor se debe realizar un sondeo o una excavación a cielo abierto. Estos ensayos pueden realizarse durante la ejecución de la perforación a una determinada profundidad, antes de la realización del ensayo debe ser limpiado el sondeo, cuando el sondeo llega hasta abajo del nivel freático, se recomienda que se mantenga lleno de agua el sondeo durante la limpieza y especialmente cuando se sacan las herramientas, para evitar que se apriete el suelo en el fondo del tubo. Este ensayo, antes de medir tiempos y caudales, requiere que el sondeo se llene de agua, controlando que el aire es expulsado y luego se estabiliza el nivel y velocidad de descenso, lo cual indica que ya se ha logrado el régimen permanente.

Existen 2 métodos para realizar el ensayo: ensayo con carga hidráulica constante y con carga hidráulica variable. Este ensayo consiste en rellenar de agua el sondeo y medir el caudal que se necesita para mantener constante el nivel (ensayo con carga hidráulica constante), o se mide la velocidad de descenso del nivel de agua (ensayo con carga hidráulica variable). Se mide el caudal de admisión cada 5 minutos manteniendo en la boca del sondeo el nivel constante durante 45 minutos. Si la admisión es muy alta, se mide por minuto durante 20 minutos y luego cada 5 minutos hasta completar los 45 minutos.

Ensayo con carga hidráulica constante Tanto para el caso de sondeo que sobrepasa el nivel freático como para el caso que no pasa el nivel freático, consiste en revestir el sondeo, mediante un tubo metálico hasta la profundidad que se requiere determinar el coeficiente. Esta profundidad puede ser encima o bajo el nivel freático. En los dos casos es necesario alimentar de agua clara el tubo de revestimiento con un caudal constante y hasta un nivel también constante, este caudal se determina mediante un medidor, o en forma sencilla llenando un recipiente de volumen conocido y vaciando loen el tubo midiendo el tiempo transcurrido de vaciado.

Por analogía de fenómenos eléctricos se puede determinar el coeficiente de permeabilidad K, según la siguiente fórmula: K=

Q 5.5∗r∗H

Donde: K = coeficiente de permeabilidad r = radio interno del tubo H = altura del agua Q = gasto cte. del agua que entra al sondeo En el primer caso la carga hidráulica H será la diferencia entre el nivel cte. Del tubo lleno y el nivel freático En el segundo caso, la carga hidráulica H, será la longitud del tubo más la porción sin revestir. Este método también es conocido como Método por Gravedad, pero en arcillas altamente permeables o en rocas fisuradas, el caudal debe ser introducido con una presión determinada, con el objeto de simplificar el tiempo de pruebas. Ensayo con carga hidráulica variable En el ensayo con carga hidráulica variable se introduce o se extrae un determinado volumen de agua en la cavidad de infiltración y se mide la variación del nivel piezométrico en el pozo a lo largo del tiempo. Este ensayo es, en general, utilizado para suelos poco permeables (k < 10 -4 cm/s). El coeficiente de permeabilidad k se determina mediante la expresión:

t−t 0 ¿ C∗¿ S k= ¿ Donde: C= coeficiente característico de la cámara filtrante. S= sección transversal del pozo h0= carga hidráulica en el inicio del ensayo t0 ≠ 0 h= carga hidráulica variable en función del tiempo ln= logaritmo natural Para estos ensayos se puede utilizar cualquier sistema de unidades compatibles. Por comodidad si K se mide en pies/año, Q se mide en gal/min y H en pies. Estos ensayos son recomendables para que se realicen en rocas blandas y en aquellas rocas fracturadas.

ENSAYO DE PERMEABILIDAD DE LUGEON Lugeon (1933) propuso este ensayo, no como cuantitativo propiamente sino como un medio de clasificación de los macizos rocosos, desde el punto de vistas de su permeabilidad respecto a la construcción de embalses.

En los macizos rocosos la permeabilidad representa una de las características de mayor variabilidad dentro de la misma formación rocosa. Es por ello que, al cuantificar la permeabilidad lo que se obtiene es un orden de magnitud. Este ensayo se efectúa en el interior de sondeos, es un procedimiento muy difundido que sirve para calcular el coeficiente de permeabilidad en profundidad. Su aplicación es muy útil para valorar la permeabilidad global de un macizo rocoso, por ello se lo usa en terrenos poco permeables y cohesivos.

Consiste en la medida del volumen de agua que se puede inyectar en un tramo del sondeo, de longitud L, durante un tiempo T y a una determinada presión H que ha de mantenerse constante. El tramo donde se va a realizar el procedimiento se aísla mediante un obturador superior, y es el fondo del sondeo que actúa como obturador inferior. El ensayo normalizado se efectúa en un sondeo entre 46 y 76 mm de diámetro y en una longitud de 2 o más metros. Las etapas a seguir en la realización del ensayo son, de manera resumida, las siguientes:

1. Introducción del tubo de inyección en el sondeo: una vez realizado el sondeo, generalmente de unos 66 mm de diámetro, se introduce en éste el tubo por donde se realizará la inyección del agua a presión. Dicho tubo lleva acoplado el obturador a la profundidad adecuada según el tramo de tramo de roca que se desea ensayar. El obturador puede ser simple si el ensayo se realiza en el fondo del sondeo o doble si se coloca un obturador superior y otro inferior. El tramo a ensayar suele tener de 0,5 a 5,0 m de largo. 2. Obturación

del

tramo

de

ensayo:

una

vez

colocados

los

obturadores a la profundidad del ensayo, mediante un mecanismo de goma a presión o cámara hinchable se obturan las bocas del tramo a ensayar (generalmente se ensayan tramos de 5 m).

3. Aplicación de la presión de agua mediante bomba. Se aplican escalones sucesivos de carga y descarga de 0, 1, 2, 5 y 10 Kg/cm 2 respectivamente. Siempre deben alcanzarse los 10 kg/cm 2, si bien a veces ocurre que se fractura antes la roca.

4. Medición del caudal perdido (admisión). Los resultados se suelen expresar en unidades Lugeon. A partir de las mediciones de caudal se pueden presentar resultados mediante gráficos ProfundidadAdmisión o bien gráficos Presión-Caudal de cuyo análisis se puede deducir el comportamiento del macizo rocoso frente a las filtraciones. La permeabilidad obtenida es una medida aproximada de la permeabilidad local. El ensayo es representativo en la medida en que la zona ensayada atraviese un número suficiente de discontinuidades

El ensayo Lugeon o a presión se puede hacer igualmente por encima y por debajo del nivel freático. Las formulas para determinar la permeabilidad con estos ensayos son: K=

Q L ∗ln ; L>10 r 2 πLH r

K=

Q −1 L ∗senh ; 10 r > L>r 2 πLH 2r

Donde: K = coeficiente de permeabilidad Q = caudal constante admitido L = tramo del sondeo ensayado H = carga diferencial de agua = Hgrav. + Hpres. r= radio del sondeo

En estas pruebas, a la carga H debe sumarse la carga hidráulica debido a la presión. La permeabilidad obtenida se expresa en unidades Lugeon (Lg). La unidad Lugeon vale 1 litro por minuto y metro, bajo una presión de 10 kg/cm2 ; esto equivale aproximadamente 1 × 10

-7

m/s.

Estas formulas tiene mayor validez cuando el espesor del estrato probado es por lo menos 5L y son mas aproximadas para el ensayo por debajo del nivel freático que por encima de él.

CONCLUSION La permeabilidad de los suelos es la propiedad de los suelos mediante el cual el agua atraviesa con mayor o menor facilidad dicho suelo. Esta propiedad depende principalmente de la granulometría del suelo. Los ensayos IN SITU son aquellos que no se realizan en laboratorio sino en el sitio mismo de cualquier obra terreno que se requiera analizar, se utilizan para encontrar las propiedades físicas, mecánicas de los suelos. Existen varios métodos para determinar la permeabilidad de los suelos pero son dos los más conocidos y fundamentales: el ensayo Lefranc y ensayo Lugeon. El ensayo Lefranc se utiliza para medir el coeficiente de permeabilidad en suelos permeables o semipermeables, el ensayo de Lugeon permite determinar de manera cuantitativa la permeabilidad de macizos rocosos. Al comparar estos dos ensayos podemos obtener una semejanza y una diferencia muy importante; ambos ensayos son ensayos IN SITU y sirven para obtener la permeabilidad de suelos rocosos; el ensayo Lefranc mide el

coeficiente

de

permeabilidad

en

suelos

permeables

y

rocas

fracturadas mientras que el ensayo Lugeon encuentra el coeficiente de permeabilidad en macizos rocosos.