Laboratorio de Suelos - Ensayo de Permeabilidad

PONTIFICA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR

Facultad de Ingeniería Escuela de Civil

Laboratorio de Mecánica de Suelos

Profesor

:

Estudiante:

Ing. Guillermo Realpe R. Esteban Aguirre Q.

Tema:

Permeabilidad

Curso

:

5to Nivel

Fecha

:

07 de Junio del 2016.

Paralelo: 3

1. ALCANCE La estructura natural del suelo y su composición es fundamental en el estudio de la mecánica de suelos que hace parte de una de las ramas de la Ingeniería Civil, que se ve reflejado en la importancia del conocimiento, brindando grandes aportes a los problemas estructurales, fallas constructivas y contaminación del mismo suelo, que atribuyen al juicio insipiente de las condiciones del terreno; la construcción de obras civiles, requiere de diferentes herramientas que permitan acercar al ingeniero a un propiedad más real y exacto del suelo, por eso la necesidad de la búsqueda de la información precisa por medio de la investigación del comportamiento del suelo, y en base a las indagaciones encontramos que el problema como lo es la permeabilidad de los suelos, identificando su peripecia e impacto para estudios de erosión, mineralogía entre otras muchas aplicaciones.

2. OBJETIVOS 

Obtener resultados numéricos del coeficiente de permeabilidad en una muestra específica de suelo, mediante ensayos de laboratorio en el permeámetro de carga constante y variable.



Aplicar los métodos de ensayo y los conocimientos adquiridos durante el programa de Ingeniería Civil para determinar coeficientes de permeabilidad.



Determinar el valor del coeficiente de permeabilidad k de un suelo.

3. INTRODUCCIÓN La conductividad hidráulica saturada en campo, es una propiedad determinante en la descripción de los procesos de filtración y redistribución de agua en el suelo, motivo por el cual la utilización del permeámetro es esencial para el conocimiento, análisis y establecer el grado de permeabilidad y resistencia en laboratorio para los materiales granulares. En la actualidad el ensayo de permeabilidad de cabeza constante y variable se desarrolla a través del permeámetro, que permitan dar valores de las propiedades del suelo y definir el coeficiente de permeabilidad, por lo que es importante disponer de un instrumento que nos ayuda a analizar el grado de permeabilidad en los suelos, es decir la fluidez del agua través de los poros, de los diferentes materiales granulares. Permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es una de las cualidades más importantes que han de considerarse para la ingeniería civil. Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estructura es preciso aplicar técnicas de construcción especiales. Las principales estructuras como la vías, las estructuras hidráulicas de captación y las estructuras de fundación, tiene relación directa con la permeabilidad del suelo, dando importancia al análisis de las propiedades físicas del suelo, por medio de ensayos que nos permiten obtener resultados confiables para tomar decisiones en el diseño, evaluación y construcción de un proyectos. La permeabilidad de los suelos, es decir la facultad con la que el agua pasa a través de los poros, tiene un efecto decisivo sobre el costo y las dificultades a encontrar en muchas operaciones constructivas, como son por ejemplo, las excavaciones a cielo abierto en arena bajo agua o la velocidad de consolidación de un estrato de arcilla bajo el peso de un terraplén, de ahí la importancia de su estudio y determinación, aspectos que se desarrollarán a continuación. Los procedimientos empleados en laboratorio para determinar el coeficiente de permeabilidad pueden dividirse en directos o indirectos. Métodos directos: 

Permeámetro con carga constante



Permeámetro con carga variable

Métodos indirectos: 

Calculo a partir de la curva granulométrica.



Calculo a partir de la prueba de consolidación.



Calculo a partir de la prueba de capilaridad horizontal.

4. MARCO TEÓRICO

4.1 Permeámetro de carga constante En estos aparatos la cantidad de agua que fluye a través de una muestra de suelo, de dimensiones conocidas, en un tiempo determinado, puede ser medida. Los niveles de agua a la entrada y salida del permeámetro se pueden mantener constantes por medio de compuertas. La pérdida de carga h, depende únicamente de la diferencia entre los niveles de agua. El diámetro D y el largo L de la muestra pueden ser medidos. El agua a la salida es recogida en una probeta graduada y la cantidad de descarga Q es medida. Cabe destacar que este permeámetro es aplicable a suelos relativamente permeables, por ejemplo limos, arenas y gravas. A continuación se muestran dos modelos de permeámetros y el cálculo del coeficiente de permeabilidad k.

Permeámetro A

Permeámetro B Para el cálculo de “k” se determina primero el caudal circulante una vez que el sistema se encuentra en régimen (la cantidad de agua que ingresa es igual a la que sale), midiendo el tiempo “t” en el cual se llena un recipiente de volumen V conocido. Q=

1.

V t

Una vez obtenido el caudal y en función de las características del permeámetro, aplicando la Ley de Darcy se obtiene: Q=ki A=

2.

i=

3.

4.

V t

h L

A=π

D2 4

Reemplazando 3. y 4. en 2. y reordenando, obtenemos el valor del coeficiente de permeabilidad “k”

5.

k=

V VL = tiA thA

4.1Permeámetro de carga variable Este tipo de dispositivo brinda mayor exactitud para suelos menos permeables, como arcilla y limo.

En este caso la cantidad de agua escurrida es medida en forma indirecta por medio de la observación de la relación entre la caída del nivel de agua en un tubo recto colocado sobre la muestra y el tiempo transcurrido. La longitud “L”, el área A de la muestra y el área “” del tubo recto son conocidos. En adición, las observaciones deben ser hechas en no menos de dos niveles diferentes de agua en el tubo recto. Para la deducción del valor de “k” obsérvese el permeámetro de la figura, el que debe estar en régimen antes de efectuar cualquier medición.

Considérese h1 como la altura del agua medida en un tiempo t1 y h2 como la altura del agua medida en un tiempo t2; h es la altura del agua intermedia en un tiempo t. La relación de flujo puede ser expresada como el área del tubo recto multiplicada por la velocidad de caída. La velocidad de caída es -∂h/∂t, el signo negativo significa que la carga h disminuye al aumentar el tiempo. Haciendo la ecuación para este caso de acuerdo con la relación de flujo dada por la Ley de Darcy se tiene:

1. Reordenando e integrando la ecuación 1.

2. Se obtiene el valor del coeficiente de permeabilidad “k”, expresado en 3.

, o bien

3.

5. CÁLCULOS Y GRÁFICAS

5.1 Permeámetro de carga constante

DATOS DE LA MUESTRA Diámetro de la muestra "D" (cm) Longitud de la muestra "L" (cm) Volumen de la muestra Gravedad específica del Suelo "Gs" Masa permeámetro Masa permeámetro + Muestra húmeda Masa permeámetro + Muestra húmeda final Humedad inicial % Humedad final % Densidad seca de la muestra "ρd" Densidad del agua "ρw" Relación de vacíos de la muestra "e"

7,500 10,504 464,053 2,620 2591,300 3259,900 3591,900 0,870 15,880 0,715 1,000 2,662

CÁLCULO COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD "k" N° 1 2 Volumen "V" (cm3) 192,200 339,490 Tiempo de recolección "t" (s) 11,380 20,870 Temperatura del agua "T" (°C) Diferencia de Altura "h" (cm) Diámetro de la muestra "D" (cm) Longitud de la muestra "L" (cm) Área "A" (cm2) k= Fórmula 5. CARGA CONSTANTE 0,293 0,282 Promedio "k" (cm/s) nt °C / n20°C k20 °C = (k t°C) (n t°C) / n 20°C

3 558,710 35,130 24,400 13,700 7,500 10,504 44,179 0,276 0,284 0,902 0,256

5.2 Permeámetro de carga variable DATOS DE LA MUESTRA Diámetro de la muestra "D" (cm) Longitud de la muestra "L" (cm) Volumen de la muestra Gravedad específica del Suelo "Gs" Masa permeámetro Masa permeámetro + Muestra húmeda Masa permeámetro + Muestra húmeda final Humedad inicial % Humedad final % Densidad seca de la muestra "ρd" Densidad del agua "ρw" Relación de vacíos de la muestra "e"

7,500 11,105 490,604 2,630 1426,200 2211,600 2391,900 2,260 25,740 0,368 1,000 6,156

DATOS DE LA BURETA Longitud Masa de agua Densidad del agua "ρw" Volumen de agua que fluye Diámetro "D" (cm) Área (cm2)

22,300 1,760 1,000 1,760 0,317 0,079

CÁLCULO COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD "k" N° 1 2 3 Área de la muestra "A" (cm2) 44,179 Diferencia inicial de Altura "h1" (cm) 139,010 Diferencia final de Altura "h2" (cm) 80 70 60 Duración de la prueba "t" (s) 20,160 59,790 105,370 k= Fórmula 3. CARGA VARIABLE 0,0005438 0,0002277 0,0001582 Promedio "k" (cm/s) 0,000309903 Temperatura del agua "T" (°C) 24 nt °C / n20°C 0,9020 k20 °C = (k t°C) (n t°C) / n 20°C 0,0002795

6. CONCLUSIONES



En la determinación del cálculo de la permeabilidad, las condiciones en que se realiza el ensayo en el laboratorio son condiciones ideales, los valores difieren debido a que bastante debido a que la muestra es bastante alterada con respecto a la realidad in situ sin embargo en una aproximación que permite determinar su clasificación dentro de un suelo fino.



A partir de los resultados de los cálculos realizados en la muestra de suelo por el método del Permeámetro de Carga Constante, podemos concluir que el material se puede tratar de una mezcla limpias de arena y grava con buen drenaje.



La muestra ensayada por el método del Permeámetro de Carga Constante muestra una permeabilidad relativamente rápida.



Según las observaciones y resultados obtenidos a partir del ensayo, se puede consumar que la relación de vacíos es de suma importancia al momento de diseñar estructuras que va a soportar un suelo, ya que reduciendo el porcentaje de vacíos existentes la permeabilidad baja, lo que favorece en el campo de la Ingeniería Civil.



Los resultados de k1= 0.256 cm/s y k2=0,0002795 cm/s se encuentran entre los límites, lo que quiere decir que el suelo de las muestras es permeable.



El ensayo con una muestra alterada, caracterizada en el laboratorio es más fácil de trabajar y por ende sus resultados en el ensayo se pueden evaluar con más rapidez, en su proceso de saturación los resultados se pueden comparar con la tabla de Braja Das.



7. RECOMENDACIONES



Las probetas utilizadas para ambos casos deben provenir de muestras inalteradas.



En la medida de lo posible utilizar muestras pequeñas, dado que brindan la posibilidad de realizar un mayor número de pruebas en menos tiempo.



Medir en cada intervalo su respectiva temperatura porque la viscosidad es una función de esta.



Se recomienda realizar ensayos con otros tipos de suelos para fines de interpretación.

8. BIBLIOGRAFÍA   

BRAJA M., Das. Fundamentos de ingeniería geotécnica. 4 ed. Barcelona: Cencage Learning, 2013. 325 p. GUÍA ACADÉMICA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS 1. FTP.FAO.ORG , 9. PERMEABILIDAD DEL SUELO, se encuentra en: ftp://ftp.fao.org/fi/CDrom/FAO_training/FAO_training/general/x6706s/x6706s0 9.htm



Mg. Ing. Silvia Angelone, Ing. María teresa Garibay y marina Cahujapé, Geología y geotecnia Permeabilidad de suelos, se encuentra en: http://www.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Permeabilidad%20en %20Suelos.pdf



ESTUDIOS GEOTÉCNICOS, Permeabilidad de los suelos: concepto y determinación (“in situ” y en laboratorio), se encuentra en: http://www.estudiosgeotecnicos.info/index.php/permeabilidad-de-los-suelos