INFORME -PERMEABILIDAD

PERMEABILIDAD DE SUELOS [ASTM D 2434 - 5084]

Integrantes: - Percy Alvarado Rodríguez - Robert Aguilar Palomino - Luis Llerena Torrejón - Juan Daniel Del Aguila - Samuel Acuña Dávila - Ángel Fernández Aliano - Michael Ormeño

[13/09/17] UPEU - LIMA [Mecánica de suelos II –  Ing.  Ing. Fiorella Maira Zapata Antesana] [Grupo 1 - Día Lunes] L unes]

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INDICE 1.

INTRODUCCION ............................................. .................................................................... ............................................. ......................................... ...................3

2. OBJETIVOS ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ .................................. ............4 2.1

Objetivo General ......................................... ............................................................... ............................................. .......................................... ................... 4

2.2

Objetivos Específicos..................................................... ........................................................................... ............................................. .......................4

3.  NORMAS ........................ ............................................... .............................................. ............................................. ............................................ .............................. ........ 4 4.

MARCO TEÓRICO.................................... TEÓRICO.......................................................... ............................................ ............................................. ........................... .... 4 4.1

Permeabilidad de suelos ................................................. ....................................................................... ............................................ ........................ 4

4.1.1 4.2

Importancia de la permeabilidad en los suelos ................................. .................................................... ...................5

Ley de Darcy .............................................................. .................................................................................... ............................................. ........................... .... 5

4.2.1

Consideraciones Consideraciones de la Ley de Darcy......................................... ............................................................... ........................... ..... 6

4.3

Características de flujo en los suelos..................................... suelos........................................................... ...................................... ................ 6

4.4

Factores que influyen i nfluyen en el cálculo del coeficiente de permeabilidad: ....................... ....................... 8

4.4.1

Temperatura del agua ........................... .................................................. ............................................. ......................................... ................... 8

4.4.2

Compactación del suelo ......................................................... ............................................................................... .............................. ........ 9

4.4.3

Grado de saturación del suelo ............................. ................................................... ............................................. ........................... .... 9

4.5

Métodos de ensayo .............................................. .................................................................... ............................................ .................................. ............ 9

4.5.1

Ensayo Lefranc ............................................ .................................................................. ............................................ ................................ .......... 10

4.5.2

Carga hidráulica constante ...................................... ............................................................ ........................................... .....................11

4.5.3

Carga hidráulica variable ....................................................... ............................................................................. ............................ ...... 11

5.

MATERIALES UTILIZADOS ............................................ .................................................................. ........................................... ..................... 12

6.

EQUIPOS Y HERRAMIENTAS ............................................. ................................................................... ....................................... .................12

7.

PROCEDIMIENTO RECOMENDADO (para laboratorio).......................................... .............................................. 13

7.1 8.

PROCEDIMIENTO RECOMENDADO (para campo)...................................... campo)................................................ .......... 14 METODOLOGÍA DE CÁLCULO: ........................... ................................................. ............................................ ................................ .......... 15

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9.

MEMORIA DE CÁLCULO: ........................................................................................... 16

10.

PRESENTACIÓN DE DATO: ..................................................................................... 19

11.

ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOS: ........................................... 20

12.

CONCLUSIONES ........................................................................................................21

13.

RECOMENDACIONES............................................................................................... 22

14.

REFERENCIAS............................................................................................................22

15.

Anexo ............................................................................................................................23

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1. INTRODUCCION La Permeabilidad de un suelo, se presenta con el propósito de conocer los espacios vacíos o poros entre las partículas que contiene este. Determinando así la tasa a la cual fluye el agua  por el suelo en un tiempo establecido.

Esta velocidad del agua a través del suelo se conoce como Coeficiente de Permeabilidad y se representa con la letra k; este valor depende del tipo de suelo y puede verse afectado por diversos factores como la distribución granulométrica, viscosidad del fluido, rugosidad de las  partículas del suelo, el grado de saturación, relación de vacíos, temperatura del agua entre otros.

Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Por lo general, los suelos se componen por capas y a menudo la calidad del suelo varía considerablemente de una capa a otra. En un suelo compuesto de arena y gravas es de necesidad la aplicación de las nomas (ASTM D 2434) –  (ASTM D 5084).

En función de la velocidad del flujo de agua se suele medirse la permeabilidad, en un período determinado. Generalmente se expresa o bien como una tasa de permeabilidad en centímetros  por hora (cm/h), milímetros por hora (mm/h), o centímetros por día (cm/d), o bien como un coeficiente de permeabilidad en metros por segundo (m/s) o en centímetros por segundo (cm/s).

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2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General ➢

Manifestar la influencia de la permeabilidad de un suelo con arena y grava.

2.2 Objetivos Específicos ➢

Determinar el coeficiente de permeabilidad en un suelo compuesto de 37.38% de grava y 62.62% de arena, para una masa total de muestra de 5 kg.

➢

Calcular la velocidad de descarga (ley de Darcy).

➢

Analizar el tipo de flujo mediante el número de Reynolds.

➢

Calcular el caudal de salida, mediante la ecuación de la continuidad.

3. NORMAS ASTM D 2434 (Para suelos granulares) ASTM D 5084 (Para todos los suelos)

4. MARCO TEÓRICO 4.1 Permeabilidad de suelos Los suelos están formados por partículas minerales sólidas que dejan vacíos entre ellas. Estos vacíos están interconectados y permiten el flujo de agua a través de ellos. Esto convierte a los suelos en materiales permeables al agua. El grado de permeabilidad es determinado aplicando a una muestra saturada de suelo una diferencia de presión hidráulica. El coeficiente de permeabilidad es expresado en términos de velocidad. (Borfiz, 2008)

Según (Manilla Aceves, Valadéz Castro, Garnica Anguas, & Peña, 2002),existen varios fenómenos que tienen relación directa con la permeabilidad de los suelos; ya que la  permeabilidad es un valor altamente sensible que depende de la naturaleza del suelo, de sus características mecánicas y de las fuerzas de superficie cuando el tamaño de partícula principal es el correspondiente a finos.

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4.1.1 Importancia de la permeabilidad en los suelos En suelos granulares o finos, la permeabilidad se detecta con la finalidad de conocer la velocidad de filtración del agua, su capacidad para retener las aguas de la lluvia y, que al ser cultivo, las aportadas por el riego. De este modo, se refleja la importancia de conocer y evaluar estas características físicas del suelo, que a su vez se condiciona por la porosidad, que depende en parte por la textura del suelo. Más aún, para la agronomía, la permeabilidad del suelo es crítica para la determinación de su calidad. (Intagri S.C., 2016).

Figura 1. Coeficiente de permeabilidad de los suelos (cm/s)

Fuente: Universidad Nacional de Rosario

4.2 Ley de Darcy La ley de Darcy fue planteada por Henri Philiberth Gaspard Darcy en 1857. Esta fue dada  para determinar la velocidad de descarga del agua a través de suelos saturados, y se basa  principalmente, en el flujo de agua a través de arenas limpias, además definió que la velocidad V de un flujo laminar dentro de un medio poroso que es proporcional al gradiente hidráulico “i” y al coeficiente de permeabilidad “k” expresados por la siguiente ecuación.(Gómez Castro

& Camelo Romero, 2014).

V=k∗i Donde:

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(1)

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V:Velocidad de descarga,que determina la cantidad de agua que fluye  cms. k:Coeficiente de permeabilidad cms. Para el principio planteado por Darcy se considera la ecuación de la continuidad:

Q=V∗A

(2)

Donde:

 cm Q:Caudal  s  V:Velocidad cms   D A:Área de la sección= π∗ 4 cm  4.2.1 Consideraciones de la Ley de Darcy El flujo de agua a través de los suelos es gobernado por la Ley de Darcy, que establece que la velocidad media de flujo es proporcional al gradiente hidráulico.

En piedra, grava y arenas gruesas el flujo puede ser turbulento. En este caso la relación no es lineal.

Figura 2. Variación de velocidad (v) con gradiente Hidráulico (i). Fuente: Mec. De suelos II - FIA UPeU

4.3 Características de flujo en los suelos Flujo laminar y turbulento. El movimiento del agua se presenta en dos estados característicos, principalmente por su velocidad, presión, temperatura y viscosidad entre otros, 6

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este se puede describir como régimen flujo laminar y flujo turbulento. Se denomina flujo laminar cuando las partículas de agua se mueven en direcciones paralelas formando líneas rectas, sin que el fluido se mezcle, es decir que permanezca con movimiento continuo, formando una lámina de agua. (Gómez Castro & Camelo Romero, 2014)

Figura 3. Flujo laminar con movimiento uniforme. Fuente: Creative commons.

Se denomina movimiento turbulento cuando las partículas se mueven en todas las direcciones, es decir cuando el vector de agua no es lineal, sino que, presenta movimiento descontinuo y el fluido se mezcla.

Figura 4. Flujo turbulento con movimiento variado Fuente: Creative commons

Los diferentes regímenes de flujo (Laminar y turbulento) y la asignación de valores numéricos de cada uno, fueron reportados por primera vez por OSBORNE REYNOLDS en 1883. Reynolds observo que a velocidades bajas en el flujo es laminar y mientras esta condición va aumentando llega a un límite donde se vuelve turbulento, el número de Reynolds es un numero adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría. Cuando se trata del comportamiento natural del flujo a través de materiales porosos se dice que este es de tipo laminar aun cuando su recorrido no es totalmente lineal debido a que la velocidad real no supera el límite como para convertirse en turbulento. (Gómez Castro & Camelo Romero, 2014).

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Por otro lado, según (Sánchez San Roman, 2008), para medios porosos se aplica la fórmula utilizada para canales o tubos, sustituyendo el diámetro de la conducción por el diámetro medio del medio poroso y considerando la velocidad de Darcy; en donde si R10, no se cumple Darcy:

v∗d R = ρ∗v∗d = μ v′

(3)

Donde:

ρv=Velocidad = Densidad dedelDarcy fluido Caudal g/cm3⁄Seccion total d = Diametro medio de los granoscm g ∗s μ=Viscosidad dinamica  cm2 μ ⁄  vR ==Viscosidad cinematica ρ Número de Reynold adimensional 4.4 Factores que influyen en el cálculo del coeficiente de permeabilidad: En la realización del ensayo de permeabilidad hay diversos factores, estos afectan directamente en el resultado del ensayo.

4.4.1 Temperatura del agua En esta parte resaltamos que la temperatura del agua es indirectamente proporcional a su viscosidad; si la temperatura del agua es elevada entonces la viscosidad es mínima y está puede fluir fácilmente entre los vacíos del suelo.

Tabla 1. Relación inversamente proporcional de la temperatura del agua con su viscosidad. Fuente: Propia

Propiedad del agua Temperatura

Viscosidad

Mayor

Menor

Menor

Mayor

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4.4.2 Compactación del suelo Podemos decir que cuanto más compactado esté el suelo tendrá menor densidad y a la vez reducirá su cantidad de vacíos, por lo tanto, el suelo se será menos permeable.

Figura 5. Podemos observar en el rango de L, una cantidad de material bien compactada. Fuente: La Guía Física

4.4.3 Grado de saturación del suelo Para la realización del ensayo este ensayo el suelo debe estar totalmente saturado para que el lugar que ocupaba el aire en los vacíos sea intercambiado por agua y así eliminar la tensión superficial.

Figura 6. Apreciación de diferentes suelos en estado saturado. Fuente: CivilGeeks

4.5 Métodos de ensayo Uno de los estudios geotécnicos importantes a realizar antes de la construcción, es la determinación de la permeabilidad del suelo.

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En caso de que hubiere agua subterránea en movimiento, en régimen permanente u ocasional, debe determinarse la permeabilidad de dicho terreno. No siempre las mediciones de  permeabilidad hechas con muestras de laboratorio son confiables ni concluyentes sobre el comportamiento del terreno. Por ello es preciso efectuar ensayos in situ. Estas mediciones son  puntuales y mediante ellas se practican perforaciones para la obtención de valores indicativos de la permeabilidad del suelo. (C., 1998).

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.

4.5.1 Ensayo Lefranc Es uno de los ensayos de permeabilidad, in situ, que se aplica con mayor frecuencia. Consiste en introducir, o bombear agua desde un sondaje, donde la cavidad es mantenida constante, a una determinada profundidad. Se aplica principalmente a suelos sueltos. Para suelos rocosos fracturados se utiliza, para el mismo fin, el ensayo Lugeon. Existen dos modalidades, con presión constante o con presión variable. (Manilla Aceves et al., 2002)

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4.5.2 Carga hidráulica constante En el ensayo con carga hidráulica constante se introduce o bombea en un pozo de sondeo el caudal necesario para mantener, en el pozo que se está verificando, a un nivel constante. La interpretación del ensayo se basa en algunas hipótesis que simplifican el problema, pero que no afectan sustancialmente el resultado. Las hipótesis son:

1. Se trata de un flujo laminar, (campo de aplicación de la ley de Darcy) 2. Que el medio es isotrópico y homogéneo 3. Que se trata de un régimen permanente. En estas condiciones el caudal Q es  proporcional a la permeabilidad K, representada por el coeficiente de permeabilidad y a la carga hidráulica “h”.

4.5.3

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 tipo de ensayo es, en general, utilizado para suelos poco permeables (k < 10-4 cm/s).(Intagri S.C., 2016)

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5. MATERIALES UTILIZADOS

Figura 7 Arena Fina (Lavada). Fuente: Propia

Figura 8 Grava (Piedra Chancada). Fuente: Google Imágenes

6. EQUIPOS Y HERRAMIENTAS

Figura 9. Pala

Fuente: Google imágenes

Figura 12. Tamiz. Fuente: Google Img.

Figura 11. Pico

Figura 10. Equipos de protección personal

Fuente: Google imágenes

Fuente: Google imágenes

Figura 13. Flexómetro (Wincha). Fuente: Google Img.

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Figura 14. Papel Filtro. Fuente: Google Img.

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Figura 15. Plastilina. Fuente: Google Img.

Figura 16. Cronometro. Fuente: Google Img.

Figura 17. Molde de Acero. Fuente: Google Img.

7. PROCEDIMIENTO RECOMENDADO (para laboratorio) ➢

Realizar el muestreo del suelo a analizar y determinar la densidad natural por algún método conocido.

➢

Colocar los discos espaciadores y compactar la muestra en el permeámetro de acuerdo a la densidad natural que se ha obtenido, colocando los papeles filtro a cada extremo de la muestra.

➢

Acomodar el molde asegurar los tornillos impermeabilizando con la plastilina las uniones entre la placa base el molde de acero.

➢

Saturar el suelo hasta que no se vean burbujas de aire.

➢

Se fija el nivel del agua a una altura de dos veces la altura de la muestra, y se mantiene ese nivel al largo de toda la prueba.

➢

Se procede a hacer las mediciones del volumen, al poner una probeta en la salida para determinado tiempo, que puede ser de uno o dos minutos.

➢

Se anota el volumen de agua recogido, expresado en cm3, repitiendo esta acción tres veces, para obtener un promedio.

➢

Se mide la carga hidráulica (h), la longitud de la muestra (L) y la temperatura del agua en grados centígrados (°C), con el fin de obtener la relación de viscosidad del agua, que lo da una tabulación.

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7.1 PROCEDIMIENTO RECOMENDADO (para campo) Para obtener una medición más exacta de la permeabilidad del suelo, puede realizar el siguiente ensayo de campo que le dará un valor para el coeficiente de permeabilidad. (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura - FAO, s.f.):

➢

Utilizando una barrena de sondeo, perfore en el suelo un hoyo de aproximadamente 1 m de profundidad, en el lugar donde desea determinar el coeficiente de permeabilidad.

➢

Llene el hoyo de agua hasta el borde.

➢

Durante por lo menos 20 minutos, vuelva a llenar el hoyo hasta el borde cada cinco minutos para asegurarse de que el suelo está completamente saturado.

➢

Añada agua basta el borde del hoyo y empiece a medir la velocidad a que baja la superficie del agua, utilizando un reloj para medir el tiempo y una regla graduada en centímetros para medir la distancia entre la superficie del agua ( que desciende) y el  borde del hoyo. Deje de medir cuando la velocidad sea casi constante.

Figura 18. Propiedades físicas del agua

Fuente: Miliarium

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8. METODOLOGÍA DE CÁLCULO: Se procede a realizar el cálculo del coeficiente de permeabilidad con la siguiente expresión:

 = ∗ ∗ℎ∗ (4) Donde:

KV==Volumen Coeficienterecogidocm de Permeabili  dad cm⁄s L = Longitud de la MuestracmD A = Area de la muestra = π∗ 4 cm t=Tiempo de prueba s Además, debe realizarse la corrección por temperatura el cual viene a expresarse de la siguiente manera. Considerar la figura 18:

 =  

(5)

Donde:

Kv  =Viscodidad = El valor de cinemática K para la temperatur del ensayo cm/s  cm /s v = Viscodidad cinemática a 20 °C cm/s Para hallar la gradiente hidráulica:

 = ℎ

Donde:

hidráulico (Adimensional) ih==Gradiente Carga hi d ráuli c a  (cm) L =Longitud de la muestra (cm)

Para hallar la velocidad de descarga, según Ley de Darcy, ver la ec. (1) :

=∗ Donde: v = Velocidad de descarga (cm/s) K= Coeficiente de permeabilidad (cm/s) Gradiente Hidráulico (Adimensional)

i=

Para hallar el tipo de flujo, según ec. (3):

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(6)

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 ∗  = ∗∗ =  ´

Donde: R=Numero de Reynolds (Adimensional)

ρ=densidad del fluido v = Velocidad de Darcy = (Caudal/sección total) d= diámetro medio de los granos μ=viscodidad dinámica v´ = viscosidad cinemática ( μ/ρ) Para hallar el caudal, por la ec. (2): Donde:

vA==Área velocidedlaadsección cm/s)(cm )

=∗

2

Q= Caudal del flujo (cm 3/s)

9. MEMORIA DE CÁLCULO: Mediante la ecuación (4) se halló el coeficiente de permeabilidad para cada muestra, a un determinado tiempo de variación, y el tipo de flujo a temperatura de 20.02°C y 40°C. Considerar R10 (no cumple Darcy) es flujo turbulento, y 1