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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

CABEZA CONSTANTE Y CABEZA VARIABLE

Autores: Robinson David Diaz Vela 505880 Jenny Pilar Gordillo Forero 505099 Juan David Méndez 505330 Brandon Camargo 505851

Bogotá, D.C. 18 de noviembre de 2019

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Contenido Introducción. ............................................................................................................ 3 Objetivos ................................................................................................................. 4 Marco Teórico. ........................................................................................................ 4 Material y equipos. .................................................................................................. 5 Procedimiento. ........................................................................................................ 7 Datos de laboratorio. ............................................................................................... 8 Cálculos................................................................................................................... 9 Análisis de resultados. ............................................................................................ 9 Conclusiones. ........................................................................................................ 10 Bibliografía. ........................................................................................................... 10

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Introducción. Los suelos están formados por partículas minerales solidas que dejan vacíos entre ellas. Estos vacíos están conectados entre sí 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. Este fenómeno es gobernado por las mismas leyes físicas en todos los tipos de suelos y la diferencia en el coeficiente de permeabilidad en tipos de suelos extremos es solo una cuestión de magnitud. La permeabilidad de un suelo es la capacidad de este para permitir el flujo de un fluido, líquido o gas, a través suyo. En el campo de la Geotecnia se estudia el flujo de agua. En este ensayo se describe el procedimiento y los resultados obtenidos durante el ensayo de permeabilidad por el método de cabeza constante. El método de cabeza constante proporciona un procedimiento que permite determinar la permeabilidad al agua de los suelos en términos de permitividad bajo condiciones de ensayo de estandarizadas. La permeabilidad en los suelos se ve afectada por diversos factores inherentes al suelo como a características del agua circulante, los factores principales son:  Relación de vacíos del suelo.  Temperatura del agua  Estructura y estratificación del suelo. En este caso se puede considerar que la influencia que tienen esas propiedades del agua como despreciables para que el coeficiente de permeabilidad (k) pueda considerarse constante para un suelo determinado.

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Objetivos. Los objetivos son planteados de acuerdo a la norma I.N.V.E-130-07.  Este método de ensayo cubre un procedimiento para determinar el coeficiente de permeabilidad mediante un método de cabeza constante para el flujo laminar de agua a través de suelos granulares. El procedimiento está destinado a establecer valores representativos del coeficiente de permeabilidad de suelos granulares presentes en depósitos naturales o colocados en terraplenes, o cuando se empleen como bases bajo pavimentos. P ara limitar las influencias de consolidación durante el ensayo, este procedimiento está limitado a suelos granulares alterados que no contengan más de 10 % de partículas que pasen tamiz de 75 µm (No.200).  Esta norma no pretende considerar todos los problemas de seguridad asociados con su uso. Es de responsabilidad de quien la emplee, el establecimiento de prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y la aplicabilidad de limitaciones regulatorias, con anterioridad a su uso.

Marco Teórico. La permeabilidad de un suelo puede medirse en el laboratorio o en el terreno; las determinaciones de laboratorio son muchos más fáciles de hacer que las que se hacen en el terreno o también conocido como in situ. Debido a que la permeabilidad depende mucho de la estructura del suelo y debido a la dificultad de obtener muestras de suelo representativo, suelen ser necesarias las determinaciones en el terreno de la permeabilidad media. Sin embargo, las pruebas de laboratorio permiten estudiar la relación entre la permeabilidad. Entre los métodos más utilizados en el laboratorio para la determinación de la permeabilidad están: 1. El permeámetro de carga variable, 2. El permeámetro de carga constante. Como es necesaria la permeabilidad relativamente grande para obtener una buena precisión en la prueba de carga variable, este se limita a suelos permeables. Además, el grado de saturación de un suelo no saturado varía durante la prueba por lo que esta solo debe utilizarse en suelos saturados. La prueba de permeabilidad con carga constante se utiliza ampliamente con todos los tipos de suelos. Se calcula el coeficiente de permeabilidad, k, así: Ecuación 1. Coeficiente de permeabilidad.

Donde: k = coeficiente de permeabilidad, Q = gasto, es decir cantidad de agua descargada, L = distancia entre manómetros,

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A = área de la sección transversal del espécimen, t = tiempo total de desagüe, y h = diferencia de cabeza (altura) sobre los manómetros.

Material y equipos.  Permeámetros: Como se indica en la Figura 1, los cuales deberán tener cilindros para muestras con diámetro mínimo de aproximadamente 8 a 12 veces el tamaño máximo de partículas de acuerdo con la Tabla 1. El permeámetro deberá ajustarse con: (1) un disco poroso o una malla reforzada adecuada para el fondo, con una permeabilidad mayor que la de la muestra de suelo, pero con aberturas suficientemente pequeñas para impedir el movimiento de partículas; (2) tomas de manómetros para medir la pérdida de carga, “h”, sobre una longitud, “l”, equivalente al menos al diámetro del cilindro; (3) un disco poroso o una malla adecuada reforzada con un resorte adherido a la parte superior, o cualquier otro dispositivo, para aplicar una ligera presión de resorte, de 22 a 44 N (5 a 10 lbf) de carga total, cuando la placa superior se halla colocada en su sitio. Esto mantendrá el peso unitario y el volumen del suelo sin cambio durante la saturación y durante el ensayo de permeabilidad.

Tabla 1. Diámetro del cilindro.

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Figura 1. Permeámetro de cabeza constante.

 Tanque de cabeza constante: Con filtro, como se muestra en la Figura 1, para suministrar agua y para remover el aire de la conexión de agua, provisto de válvulas de control adecuadas.  Embudos amplios: Equipados con canalones cilíndricos especiales de 25 mm (1") de diámetro para partículas de tamaño máximo de 9.5 mm (3/8"), y de 12.7 mm (1/2") de diámetro para partículas de tamaño de 2.00 mm (No.10).  Equipo para la compactación del espécimen: Se puede emplear el equipo de compactación que se considere deseable. Se sugieren los siguientes: un pisón vibratorio provisto de un pie de compactación de 51 mm (2") de diámetro; un pisón de impacto con un peso deslizante consistente es un pie apisonador de 51 mm (2") de diámetro, y una varilla para pesas deslizantes de 100 g (0.22 lb) (para arenas) a 1 kg (2.25 lb) (para suelos con un contenido apreciable de grava), que tenga una caída ajustable a 102 mm (4") para arenas y 203 mm (8") para suelos con alto contenido de grava.  Bomba de vacío: o aspirador de chorro de agua, con grifo para evacuar y saturar muestras de suelo con vacío completo.  Tubos manométricos: Con escalas métricas para medir cabeza de agua.  Balanza: de capacidad de 2 kg y sensibilidad de 1 g.  Cucharón: Con una capacidad de alrededor de 100 g. (0.22 lb) de suelo.  Termómetros.

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 Reloj: con apreciación de segundos  Vaso: graduado de 250 ml.  Cubetas: se utilizan para mezclar.

Procedimiento.  Se abre ligeramente la válvula de admisión del tanque filtrante para la primera prueba hasta lograr las condiciones descritas en la norma, absteniéndose de tomar las medidas de gasto y de cabeza hasta que se alcance una condición de cabeza estable sin que exista variación apreciable de los niveles de los manómetros. Se mide y anota el tiempo, "t", la cabeza, "h", (diferencia de nivel en los manómetros), el gasto, "Q", y la temperatura del agua, "T".

Figura 2. Muestra almacenada en montaje de permeabilidad

 Se repiten las pruebas con incrementos de cabeza de 5 mm para establecer exactamente la zona de flujo laminar con velocidad, v (siendo v = Q/At) directamente proporcional al gradiente hidráulico, "i" (siendo i = h/L). Cuando se hagan patentes las desviaciones de la relación lineal, indicando con ello la iniciación de condiciones de flujo turbulento, se pueden emplear intervalos de cabeza de 10 mm para llevar el ensayo suficientemente dentro de la zona del flujo turbulento como para definir esta zona, si esto fuere significativo para las condiciones del campo. Se requieren valores mucho más bajos del gradiente hidráulico h/L, de los que generalmente se reconocen para asegurar condiciones de flujo laminar. Se sugieren los siguientes valores: compactación suelta, relaciones de h/L

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de 0.2 a 0.3, y compactación densa, relaciones de h/L de 0.3 a 0.5. Los valores menores de h/L se aplican a suelos gruesos y los mayores a suelos finos.

Figura 3. Probeta llenando se con agua que atraviesa la muestra

 Al concluir el ensayo de permeabilidad, se drena y se examina la muestra para establecer si era esencialmente homogénea y de carácter isotrópico. Cualquier clase de rayas o capas horizontales alternadas claras y oscuras son evidencia de la segregación de finos.

Datos de laboratorio. Diámetro interno (cm)

Área del molde (cm2)

Altura entre capas (cm)

Probeta (ml)

Altura de caída (cm)

6.263

30.81

13.5

500

136

Tabla 2. Datos de laboratorio.

Tiempo en llenarse Cantidad de agua en la probeta (m3) (segundos) 100

96

200

233

9

300

371

400

508

500

644

Tabla 3. Tiempos recolectados en laboratorio.

Cálculos.  Se toma el volumen máximo el cual es 500 centímetros cúbicos (cm 3) con el tiempo máximo tomado en laboratorio, para poder hallar el caudal (Q) del ensayo.

 Con el caudal (Q) se puede encontrar la velocidad (V) por medio de la ecuación de caudal definida por y despejando la velocidad (V) se obtiene

siendo A el área del molde donde se colocó la muestra.

 Con estos datos ya se puede calcular el coeficiente de permeabilidad (K), donde caudal es Q, área es A, H es la altura de caída y L es altura entre capas.

Entonces nuestro coeficiente de permeabilidad es de

.

Análisis de resultados.  Para fines agrícolas y de conservación, las clases de permeabilidad del suelo se basan en las tasas de permeabilidad, y para la ingeniería civil, se basan en el coeficiente de permeabilidad.  Para la piscicultura, existen dos formas de describir la permeabilidad del suelo: - Coeficiente de permeabilidad. - Tasa de filtración.

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 Para la ubicación de los estanques y la construcción de diques, el coeficiente de permeabilidad, casi siempre, se utiliza para determinar la aptitud de un horizonte de suelo específico: - Se pueden construir diques sin núcleo de arcilla impermeable en suelos cuyo coeficiente de permeabilidad sea inferior a K = 1 x 10-4 m/s; - Se pueden construir fondos de estanques en suelos con un coeficiente de permeabilidad inferior a K = 5 x 10-6 m/s.  Para la ordenación de estanques suele utilizarse la tasa de filtración: Para la piscicultura en estanques con fines comerciales se considera aceptable una tasa media de filtración de 1 a 2 cm/d, pero es preciso tornar medidas correctivas para reducir la permeabilidad del suelo cuando existen valores más altos, en particular cuando alcanzan los 10 cm/d o más.

Conclusiones.  Según los resultados dados por datos tomados en el ensayo de laboratorio, el tipo de suelo que se tiene de acuerdo al coeficiente de permeabilidad puede ser un suelo de mezclas de arena, limo y arcillas.  El coeficiente de permeabilidad que tiene estos tipos de suelos suele una permeabilidad entre rápida y moderada, puesto que el resultado tiene un exponencial a la -6.

Bibliografía. -

Norma I.N.V. E – 212 – 07 “PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES (CABEZA CONSTANTE)” tomado de: ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Norm as_INV-07/Normas/Norma%20INV%20E-130-07.pdf

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ftp://ftp.fao.org/fi/CDrom/FAO_training/FAO_training/general/x6706s/x67 06s09.htm