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DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DE DOS MUESTRAS DE SUELO, MEDIANTE LOS ENSAYOS: CABEZA CONSTANTE Y CABEZA VARIABLE ALTA PERMEABILIDAD

BAJA PERMEABILIDAD

1

ENSAYOS DE PERMEABILIDAD: CABEZA CONSTANTE Y CABEZA VARIABLE

NEIDER CAMPO HERNÁNDEZ KATHERIN CHAMORRO RODRÍGUEZ DIEGO DOMÍNGUEZ ACOSTA YURIJANETH PÉREZ CORRALES

ING. LEONARDO TOSCANO

UNIVERSIDAD DE SUCRE FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA CIVIL 2017

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TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................4

OBJETIVOS......................................................................................................................................5 OBJETIVO GENERAL:................................................................................................................5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:........................................................................................................5

JUSTIFICACIÓN..............................................................................................................................6

GENERALIDADES..........................................................................................................................7

EQUIPOS Y MATERIALES............................................................................................................11

PROCEDIMIENTO.........................................................................................................................12

CÁLCULOS Y RESULTADOS.......................................................................................................14

ANÁLISIS DE RESULTADOS.......................................................................................................20

CONCLUSIONES...........................................................................................................................22

ANEXOS.........................................................................................................................................23

BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................28

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INTRODUCCIÓN La permeabilidad es la capacidad de un cuerpo (en términos particulares, un suelo) para permitir en su seno el paso de un fluido (en términos particulares, el agua) sin que dicho tránsito altere la estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina objetivamente mediante la imposición de un gradiente hidráulico en una sección del cuerpo, y a lo largo de una trayectoria determinada. Por tanto es de suma importancia conocer y determinar la permeabilidad de los suelos con qué vamos a trabajar, ya que ésta difiere de un tipo de suelo a otro. El presente informe se ilustran los ensayos para la determinación de la permeabilidad de suelos: cabeza constante y cabeza variable. Es importante analizar las diferencias entre los dos ensayos, puesto que en el primero, se procede graduar el permeámetro de tal manera que la diferencia de carga entre la entrada y la salida permanezca constante (cabeza constante), y así tomar el caudal de infiltración en un determinado tiempo. Para el ensayo de cabeza variable se deja que el agua de una bureta fluya a través del suelo de manera que exista una diferencia final de carga en el tiempo. Teniendo en cuenta las características de cada ensayo y realización de manera exhaustiva todo el procedimiento, se determinará posteriormente, un valor representativo a la propiedad que estudiamos de esa muestra de suelo.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:  Determinar la permeabilidad en los suelos granulares y en los suelos finos (Limos y arcillas), a través de los ensayos de laboratorio: cabeza constante y cabeza variable. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:  Obtener el coeficiente de permeabilidad (K) de los suelos en cuestión.  Conocer las propiedades hidráulicas de los suelos.

 Identificar cada uno de los ensayos realizados y comprender las diferencias entre cada uno de ellos.

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JUSTIFICACIÓN En el estudio de suelos, estudiar el flujo de agua que pasa a través de este como medio poroso es necesario para estimar la cantidad de infiltración subterránea bajo varias condiciones hidráulicas, por esto, es de mucha importancia destacar y cuantificar la permeabilidad de un suelo, ya que nos muestra la capacidad que tiene un elemento en estado líquido de atravesar los espacios vacíos y por ende ser un material filtrante. Los suelos tienen vacíos interconectados a través de los cuales el fluido puede fluir de puntos de alta energía a puntos de baja energía, Por lo cual, el estudio de la permeabilidad es de mucha importancia para investigar los problemas que implica este descenso de fluido por medio del suelo y calcular el caudal filtrante en cierto tiempo. Además de esto la importancia de cuantificar la permeabilidad es que tenemos en cuenta otros aspectos del suelo, ya que la permeabilidad depende de la viscosidad del fluido, distribución de los tamaños de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y el grado de saturación de los suelos.

6

GENERALIDADES PERMEABILIDAD DE UN SUELO Definimos permeabilidad como la capacidad de un cuerpo (en términos particulares, un suelo) para permitir en su seno el paso de un fluido (en términos particulares, el agua) sin que dicho tránsito altere la estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina objetivamente mediante la imposición de un gradiente hidráulico en una sección del cuerpo, y a lo largo de una trayectoria determinada. La permeabilidad se cuantifica en base al coeficiente de permeabilidad, definido como la velocidad de traslación del agua en el seno del terreno y para un gradiente unitario. El coeficiente de permeabilidad puede ser expresado según la siguiente función: K=

Ql Aht

K= coeficiente de permeabilidad Q= caudal A=área de la sección transversal de la muestra de suelo h= carga t= tiempo El coeficiente de permeabilidad es una característica de los suelos granulares arcillosos, específicamente está ligado a la Ley de Darcy que se refiere al flujo de fluidos a través de los suelos. El coeficiente de permeabilidad, generalmente representado por la letra k, es extremadamente variable, según el tipo de suelo. El coeficiente de permeabilidad es función, entre otras cosas de la viscosidad del agua, que es función a su vez de la temperatura (normalmente se establece la permeabilidad para 20 0C; del tamaño y continuidad de los poros; y, de la presencia de grietas y discontinuidades.

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Tabla 1. Grado de permeabilidad y coeficiente K DETERMINACIÓN EN LABORATORIO DE LA PERMEABILIDAD Dos pruebas estándar de laboratorio se usan para determinar la permeabilidad hidráulica del suelo: la prueba de carga constante y la prueba de carga variable. La primera se usa principalmente para suelos de grano grueso. Sin embargo, para los de grano fino, las tasas de flujo a través del suelo son muy pequeñas y se prefieren por ello las pruebas de carga variable. PRUEBA DE LA CARGA CONSTANTE En este tipo de arreglo de laboratorio, el suministro de agua se ajusta de tal manera que la diferencia de carga entre la entrada y la salida permanece constante durante el periodo de la prueba. Después que se ha establecido una tasa constante de flujo, el agua es recolectada en una probeta graduada durante cierto tiempo. El volumen total de agua Q recolectada se expresa como: Q=Avt=A (ki) t 1 Donde A= área de la sección transversal de la muestra de suelo t= tiempo de recolección del agua Además como i=

h l

Donde l = longitud del espécimen Sustituyendo en 1 obtenemos

( hL ) t

Q= A k

8

K=

Ql Aht

Gráfico 1. Ensayo cabeza constante.

PRUEBA DE CARGA VARIABLE

El agua de una bureta fluye a través del suelo, la diferencia inicial de carga, h1, en el tiempo t=0 es registrada y se permite que el agua fluya a través de la muestra de suelo de manera que la diferencia final de carga en el tiempo t=t2 sea h2. La tasa de flujo q del agua, a través de la muestra en cualquier tiempo t se expresa por q=k

h dh A=−a l dt

Donde a: área de la sección transversal de la bureta A: área de la sección transversal de la muestra de suelo Reordenando la ecuación: dt=

aL −dh ( ) aK h 9

Al integral el lado izquierdo de la ecuación con límites de tiempo entre 0 y t, y el lado derecho con límites de diferencia de carga ente h1 y h2 se obtiene t=

aL h1 aL h1 log ó k=2.303 log Ak h2 At h2

Gráfico 2. Ensayo cabeza variable.

EQUIPOS Y MATERIALES

10

A continuación se mencionarán los equipos y materiales a usar durante los ensayos respectivos:

 Permeámetro  Fuente de agua  Tanque aforador  Buretas  Cronómetro  Flexómetro

11

PROCEDIMIENTO ENSAYO CABEZA CONSTANTE

Se establece la cabeza hidráulica del recipiente aforador. Es decir trate de mantener constante la altura del nivel de agua con respecto al fondo del recipiente mientras se drena la muestra

Se prepara el cilindro, con muestra saturada desde 24 horas antes del ensayo.

Se mide la longitud cilindro, que será la misma longitud de la muestra

Se toma un beaker con volumen conocido de 300cm3

Se toma el tiempo durante el cual se llena dicho beaker

Se lleva el contenido de agua a un probeta y se mide el volumen verdadero.

Se mide el diámetro del cilindro, para determinar el área de la muestra.

Se realizan 3 ensayos, y se determina un promedio entre éstos.

12

ENSAYO CABEZA VARIABLE

Se prepara el cilindro, con muestra saturada desde 24 horas antes del ensayo.

Se registra la altura inicial, que alcanza el agua dentro del tubo

Se registra la altura final en la escala gradual detrás del tubo

Se lleva el contenido de agua a un probeta y se mide el volumen verdadero.

Se abre la válvula de descarga y se deposita en un beaker de volumen conocido

Se toma el tiempo durante el cual se llena dicho beaker y se cierra la vávula.

Se realizan 3 ensayos, y se determina un promedio entre éstos. 13

CÁLCULOS Y RESULTADOS 

PARA CABEZA CONSTANTE

Para el ensayo de permeabilidad cabeza constante se obtuvieron los siguientes valores en laboratorio: DATOS ELEMENTOS Temperatura (ºC)

26

Diámetro “D”(cm)

10,54

Altura cilindro (cm)

11,54

Altura total "h" (cm)

202

Tabla 2. Datos elementos cabeza constante

Tiempo (s)

Volumen (cm3)

Ensayo 1

5,57

255

Ensayo 2

6,42

272

Ensayo 3

6,91

284

No. de Ensayo

Tabla 3. Datos ensayo cabeza constante

Seguidamente, se procede con la determinación del caudal para cada ensayo Q=

V t

Dónde: Q, Caudal V, Volumen T, tiempo

14

Caudal (cm3/s) 45,780 46,367 41,099 44,415

No. de Ensayo Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Caudal Promedio

Tabla 4. Caudales para cada ensayo y caudal promedio

 Determinación del Gradiente Hidráulico “i” i=

h L

Dónde: i, Gradiente hidráulico H, altura medida desde el nivel superior del agua en el equipo fuente hasta la boquilla inferior del recipiente metálico L, Altura efectiva de llenado, no debe confundirse con la altura del recipiente.  Considerando que la muestra tiene una longitud igual a la del cilindro se obtiene:

i=

202cm 11,54 cm

i=17,504

 Determinación del área transversal de la muestra “A”

15

10,54 ¿ ¿ ¿2 π¿ π D2 A= =¿ 4

A=¿ 87, 2511 cm2  Determinación del coeficiente de permeabilidad “K”

K=

Q 44,415 = =0,02908 cm/s iA ( 17,504 ) (87,251)

Dado que el ensayo se realizó a la temperatura ambiente, es necesario realizar la corrección por temperatura de 20° C como lo exige la norma I.N.V. E – 130. El cálculo del coeficiente J corregido, los valores de la viscosidad dinámica se obtuvieron de la siguiente tabla.

16

Tabla 5. TemperaturaViscosidad cinemática

El factor corrección J

de será

J=

VISCOCIDAD 26° VISCOCIDAD 20°

=

0,000871 0,001003

= 0,868

Por lo tanto: K20=

0,02908 cm ∗¿ 0,868 s

K20= 0,02524144cm/s



PARA CABEZA VARIABLE

Para el ensayo de permeabilidad cabeza variable se obtuvieron los siguientes valores en laboratorio: DATOS ELEMENTOS 17

Temperatura (ºC)

26

Diametro “D”(cm)

10,54

Altura cilindro “A” (cm)

11,5

Área Bureta “α” (cm2)

1,54

h1 (cm)

150

h2 (cm)

140

Tabla 6. Datos elementos cabeza variable

Tiempo (s)

Volumen (cm3)

Ensayo 1

22,85

12

Ensayo 2

18,95

9,8

Ensayo 3

20,28

11

No. de Ensayo

Tabla 7. Datos ensayo cabeza variable

Seguidamente, se procede con la determinación del caudal para cada ensayo: Q=

V t No. de Ensayo Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Caudal Promedio

Caudal (cm3/s) 0,525 0,517 0,542 0,528

Tabla 8. Caudales para cada ensayo y caudal promedio

 Determinación del Gradiente Hidráulico “i” i=

Δh 150 cm−140 cm = =0,869 L 11,5 cm 18

 Determinación del coeficiente de permeabilidad “K” K=

αL h1 ln At h2

A continuación se define K para cada tiempo Para t1, K=

1,54∗11,5 150 cm ln =0,000612 87,251∗22,85 140 s

K=

1,54∗11,5 150 cm ln =0,000738 87,251∗18,95 140 s

Para t2,

Para t3,

No. de Ensayo Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Promedio

K=

Tiempo (s) 22,85 18,95 20,28 20,693

K(cm/s)

0,000612 0,000738 0,000690 0,000680

1,54∗11,5 150 cm ln =0,000690 87,251∗20,28 140 s

Tabla 9. Coeficiente de permeabilidad para cada tiempo.

 Nuevamente se realiza el factor de corrección por temperatura para cabeza variable

19

K = 0,000680

K = 0,000680

cm *J s

cm *0,869 s

K=0,000590 cm/s

ANÁLISIS DE RESULTADOS Después de la realización del ensayo de permeabilidad, por los métodos de cabeza constante y cabeza variable, tenemos lo siguiente:

 Tomando como referencia la siguiente tabla podemos identificar o clasificar a qué tipo de suelo corresponde los estratos analizados. COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE SUELOS NATURALES TIPO DE COEFICIENTE DE SUELO PERMEABILIDAD Arcilla < 10⁻⁹ Arcilla arenosa 10⁻⁹ a 10⁻⁸ Limo 10⁻⁸ a 10⁻⁷ Turba 10⁻⁹ a 10⁻⁶ Arena fina 10⁻⁶ a 10⁻⁴ Arena gruesa 10⁻⁴ a 10⁻³ Arena gravosa 10⁻³ a 10⁻² Grava > 10⁻²

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Tabla 10. Coeficientes de permeabilidad Fuente: Mecánica de suelos, Peter Berry.

Después de calcular K para ambos estratos de suelo, se deduce que el estrato de suelo usado para el ensayo de cabeza constante ( K= 0,02524144cm/s) corresponde a una grava y el estrato usado para el ensayo de cabeza variable (K=0,000590 cm/s) corresponde a una arena gruesa, según la tabla 10.

 Luego podemos establecer el grado de permeabilidad, usando nuevamente el coeficiente de permeabilidad K Grado de permeabilidad Elevada Media Baja Muy baja Práctic. Impermeable

Valor de K (cm/s) Superior a 10 -1 10 -1 a 10 -3 10 -3 a 10 -5 10 -5 a 10 -7 Menor de 10 -7

Tabla 11. Grado de permeabilidad A partir de la tabla anterior se puede apreciar que la muestra de suelo usada para el ensayo de cabeza constante ( K= 0,02524144cm/s) tiene un grado de permeabilidad media, y la 21

muestra usada para el ensayo de cabeza variable (K=0,000590 cm/s) permeabilidad baja.

tiene una

CONCLUSIONES 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. 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. Con esta práctica se pueden determinar algunas características y valores del coeficiente de permeabilidad de diferentes tipos de suelo, aunque estos valores obtenidos no sean exactamente los mismos que realmente tenga este suelo, sirven como referencia al momento de trabajar en este sitio, en nuestro caso para los ensayos se obtuvieron resultados 22

para las dos muestras de suelo estudiadas: la primera tenía una permeabilidad media y la otra muestra, permeabilidad baja.

ANEXOS CUESTIONARIO 1. ¿Qué es la permeabilidad? ¿Qué unidades se usa para expresarla? Capacidad que tiene el suelo de permitir el flujo de agua a través de sus vacíos, siendo la magnitud de la permeabilidad expresada por el coeficiente de permeabilidad del suelo, k. La permeabilidad del suelo suele medirse en función de la velocidad del flujo de agua a través de éste durante 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).

2. ¿Puede dar alguna relación empírica para medir la permeabilidad de los suelos? ¿Es aplicable a todos los suelos? 23

Se puede usar la fórmula de Allen Hazen, pero solo es aplicable para arenas sueltas muy uniformes, esta es una ecuación empírica usada para calcular el coeficiente de permeabilidad. K=C∗D

2

10

[cm/seg ] donde 100 ≤C 1 ≤150

D

2

10

:tamaño efectivo en cm

Corrección por temperatura. K=C ( 0.7+0.03 t )∗D

2

10

[cm/seg ]

3. ¿Cuál es el objetivo del ensayo de permeabilidad de cabeza constante? La prueba de carga constante se usa para determinar coeficientes de permeabilidad de suelos de granos gruesos, tales como grava y arenas. 4. ¿Es el coeficiente de permeabilidad de las arenas influido por la relación de vacíos? Explique Sí. Cuando un suelo es comprimido o vibrado, el volumen ocupado por sus elementos sólidos permanece invariable, mientras que el volumen de vacíos disminuye, por lo tanto la permeabilidad del suelo también disminuirá, entre menor sean los espacios vacío el agua fluirá con mayor dificultad.

5. ¿Cuál es el valor más pequeño del coeficiente de permeabilidad que puede ser medido en una prueba de permeabilidad de cabeza constante? Hasta 10-5cm/s donde es el límite entre los suelos permeables y los suelos pobremente drenados con bajos gradientes hidráulicos, para estos suelos se recomiendan otros métodos.

6. ¿Qué otras pruebas pueden aplicarse a los suelos con permeabilidades bajas?

24

Para suelos con baja permeabilidad y por tanto coeficientes de permeabilidad menores, se utiliza el método de cabeza variable, recomendado para suelos con muy baja fluidez de agua a través de ellos, como lo son los suelos finos.

7. ¿Puede dar usted una expresión que tenga en cuenta los cambios de permeabilidad versus la relación de vacíos? Una fórmula para calcular la permeabilidad de un suelo en función de la relación de vacíos fue planteada por Casagrande, en la cual observamos que está inmerso un valor de K para una relación de vacíos de 0.85, la ecuación es la siguiente: K=1.4∗e

2

¿K

0.85

Donde K0.85 es el valor del coeficiente de permeabilidad para una relación de vacíos e=0.85 . Esta ecuación se expresa en curvas para arenas finas y medianas limpias de granos de buena cubicidad.

Gráfico 3. Curvas para arenas finas y medianas

8. ¿Explique el principio del tanque de presión constante? El principio del tanque de presión constante se puede explicar de la siguiente manera: La muestra de suelo se introduce en un cilindro de plástico transparente de metacrilato de metilo con filtros de malla de alambre y grava por encima y por debajo. En la pared lateral del cilindro existen varios puntos de conexión de manómetros para tomar diferentes lecturas de pares de cargas de presión. El agua que fluye a través de la muestra proviene de un tanque o depósito diseñado para mantener una carga constante, y la cantidad de agua se 25

mide pesando el recipiente recolector. El flujo se continúa hasta lograr un estado estable o de flujo establecido, esto es, hasta que los niveles en los tubos de los manómetros sean constantes. Luego se mide la cantidad que fluye durante un tiempo dado y se registran las lecturas de los dos niveles manométricos. Después se modifica la velocidad de flujo y se repite el procedimiento. 9. ¿Porque usted debe usar agua desairada en vez de agua del grifo para el ensayo de permeabilidad? Porque cuando se toma agua del grifo hay salpicado, esta agua tiene un alto contenido de aire, formando así burbujas de aire que alterarían los resultados del ensayo de permeabilidad.

10. ¿Cómo usted remueve el aire del agua? Se puede aplicar un vacío al agua, para tratar de retirar la mayor parte de aire posible que se encuentra contenido en ella, para así tener una mayor precisión en el ensayo.

11. ¿Las mediciones de la permeabilidad aumentan o disminuyen con el contenido del aire del agua ensayada? Desde nuestro punto de vista, la medición de la permeabilidad puede disminuir cuando aumenta el contenido de aire en el agua, pues esto ocasiona burbujas que pueden ocupar parte de los vacíos presentes en el suelo y así, impedir que el agua fluya con mayor facilidad por medio de los poros del suelo.

12. ¿El coeficiente de permeabilidad aumenta o disminuye con la temperatura? Explique La viscosidad del agua está relacionada directamente con la temperatura, entre mayor sea la temperatura, menos viscosa será el agua, y por lo tanto podría fluir con una mayor facilidad, lo que conllevaría a un aumento en el coeficiente de permeabilidad.

13. ¿Cuál es el rango típico para la permeabilidad de gravas, arenas, limos y arcillas?

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Para mejor entendimiento se presentan los rangos de permeabilidad para cada tipo de suelo en la siguiente tabla: COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE SUELOS NATURALES TIPO DE COEFICIENTE DE SUELO PERMEABILIDAD Arcilla < 10⁻⁹ Arcilla arenosa 10⁻⁹ a 10⁻⁸ Limo 10⁻⁸ a 10⁻⁷ Turba 10⁻⁹ a 10⁻⁶ Arena fina 10⁻⁶ a 10⁻⁴ Arena gruesa 10⁻⁴ a 10⁻³ Arena gravosa 10⁻³ a 10⁻² Grava > 10⁻² Tabla 10. Coeficientes de permeabilidad Fuente: Mecánica de suelos, Peter Berry. 14. ¿Es necesario remover el aire de la muestra antes de realizar un ensayo de permeabilidad? Explique Tratar de remover y eliminar la mayor cantidad de aire posible presente en la muestra de suelo, al igual que el aire en el agua este produce efectos en el resultado del ensayo, provocando un descenso en el valor del coeficiente de permeabilidad, todo esto por las burbujas que se forman, y por las capas de material fino que con ayuda del aire actuarían como una especie de filtro, todo esto disminuiría la permeabilidad, provocaría errores en l ensayo, por lo que se recomienda remover y tratar de eliminar la mayor cantidad de aire posible de la muestra de suelo.

REGISTRO FOTOGRÁFICO

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Imagen 1. Módulo de trabajo

Imagen 2. Realización de ensayos

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BIBLIOGRAFÍA





Fundamentos de Ingeniería Geoténica, Braja M. Das.

Mecánica de suelos, Peter Berry.



Guías de laboratorio de geotecnia I -Universidad de Sucre.



http://fisica.laguia2000.com/dinamica-clasica/fuerzas/mecanica-de-suelos-

permeabilidad



http://myslide.es/documents/que-es-la-permeabilidad.html

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