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• Boris Galindo

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MECANICA DE SUELOS 1 PRACTICA DE PERMEABILIDAD

1. OBJETIVO El objetivo de la práctica es determinar la permeabilidad de un suelo por dos métodos diferentes que son: I. Permeabilidad de cabeza constante para suelos grueso granulares (cascajos-arenas) II. Permeabilidad de cabeza variable para suelos finogranulares(limos-arcillas) 2. MARCO TEORICO - Flujo Laminar y turbulento: El flujo laminar es definido como aquel en el cual las líneas de flujo permanecen separadas en toda su longitud, moviéndose en forma suave y ordenada, en este caso las pérdidas de energía son proporcionales a la velocidad del fluido. Como es sabido un flujo laminar ocurre a bajas velocidades, en conductos pequeños, y es característico de los suelos a excepción del cascajo. El flujo turbulento se caracteriza por un movimiento discontinuo y desordenado de las partículas del fluido y tiene ocurrencia a altas velocidades. Las pérdidas de energía que experimenta son debidas a la diferencia de velocidades entre las partículas adyacentes al líquido; aun cuando la masa tenga velocidad constante, dichas pérdidas son proporcionales al cuadrado de su velocidad. - Ley de Darcy: El flujo de agua está gobernada por la ley de Darcy: dV cm3 q= =k . A . f ( ) dt seg Dónde: K = constante de permeabilidad f = gradiente hidráulico A = área transversal de la muestra -

Coeficiente de permeabilidad: Es un valor constante que expresa la velocidad con que el agua pasa a través de un suelo, comúnmente se expresa como centímetros por segundo, pies por minuto o metros por minuto. La permeabilidad depende de la viscosidad del agua y del tamaño, forma y área de los conductos a través de los cuales fluye el agua. La viscosidad es una función de la temperatura: cuanto más alta es la temperatura menor es la viscosidad y más alta la permeabilidad. La permeabilidad se refiere corrientemente a 20°C. si se conoce el valor de K, a cualquier temperatura t, su valor a 20°C será:

k 20= -

-

Ut k U 20 ° t

Ensayo de permeabilidad: El valor del coeficiente de permeabilidad solo se puede estimar mediante el conocimiento del carácter del suelo; por lo tanto deben hacerse ensayos para determinar el valor de dicho coeficiente con alguna certeza. El ensayo mas simple que se hace es con el permeámetro de carga constante, que se usa principalmente en arenas y gravas. Para arenas finas y limos se usa el permeámetro de carga variable. cuando se ensayan suelos no cohesivos de grano fino hay que tener mucho cuidado para evitar el arrastre de partículas de suelo uqe pudiera producirse si el gradiente hidráulico es excesivo. Variación en la permeabilidad del suelo: es de común ocurrencia que el valor de la permeabilidad dependa de la dirección en que se produzca el flujo del agua; por ejemplo el coeficiente de permeabilidad en la dirección paralela a los planos de estratificación es generalmente de 2 a 30 veces mayor que en la dirección perpendicular a dichos planos, en virtud a capas de suelo con baja permeabilidad. Los depositps de suelo, con materiales gruesos permeables intercalados con finos impermeables distribuidos irregularmente, presentan una permeabilidad variable de un punto a otro y su determinación es bastante difícil. Los suelos y rocas en los cuales hay una orientación de partículas escamosas o en forma de placas, tiene una mayor permeabilidad en dirección paralela a las caras alineadas que en la normal a ellas. En suelos de baja permeabilidad y en las rocas, en su gran mayoría, rigen su permeabilidad las grietas y fisuras que en ella se presentan mostrando una permeabilidad efectiva mucho mayor que la del material que se encuentra intacto. De otra parte las vetas cementadas dentro de una formación porosa producen una permeabilidad efectiva muy baja. En general debido a la falta de homogeneidad de los defectos, es necesario hacer un gran número de ensayos para encontrar el valor reala del coeficiente de permeabilidad.

3. EQUIPO PARA LA PRACTICA I. Permeámetro de carga constante II. Permeámetro de carga variable III. Regla de madera graduada IV. Cronometro V. Probeta VI. Bureta

VII.

Cilindro graduado

4. PROCEDIMIENTO - Preparación del ensayo Se seca la muestra al aire, se toma una cantidad determinada de suelo y se le agrega el volumen necesario de agua para obtener una humedad previamente calculada. Posteriormente se deja la muestra dentro de una bolsa plástica para conservar su humedad. En la base del aparato se coloca una piedra porosa previamente saturada, luego se coloca el suelo en capas de 1,5 cm de espesor compactándolas con un apisonador adecuado, teniendo cuidado de escarificar entre capa y capa para que exista una mejor adherencia, este proceso se realiza hasta obtener para el suelo, una densidad previamente calculada y dejando un borde libre en la cámara inferior de aproximadamente 2 cm, espacio en el cual se coloca una piedra porosa saturada igualmente como la primera. En el caso de que se espere un gran flujo no se coloca dicha piedra, sino que se incrementa la altura de la muestra, adicionándole a la cámara inferior una nueva cámara, denominada cámara superior cuyo ajuste se hace por medio de un empaque. En este caso la colocación de la muestra se sigue haciendo por capas en forma similar a la de la cámara inferior. El método descrito anteriormente se acostumbra hacer para el ensayo de cabeza constante mientras que el primero se una para ensayos de cabeza variable. Se coloca luego la cabeza del permeámetro sellando cuidadosamente y firmemente con las tuercas de la tapa de la cámara. Sobre la tapa, va una varilla de soporte, donde se fijan la bureta y la regla graduada para el caso del ensayo de cabeza variable, o el embudo con rebose y la regla graduada para el ensayo de cabeza constante. El punto cero de la regla graduada debe coincidir con el nivel de salida del agua del permeámetro. -

Ensayo de cabeza variable: En la parte superior de la bureta se coloca un pequeño embudo por donde se agrega agua que va a la parte inferior del permeámetro a través de un conducto plástico. Usando una prensa pequeña se obstruye la entrada de flujo en la cámara y se llena la bureta con agua. Se conecta luego una bomba de vacío a la salida de la cámara, evacuando el aire presenta en la misma y en la muestra, aplicando para ello un vacío completo durante 30 min. luego se abre gradualmente la prensa y se permite la saturación de la muestra, todo bajo aplicación del vacío desconectándolo cuando la cámara esté completamente llena de agua. Se coloca una columna de agua de altura conocida por ejemplo h0=90 cm y se anota el tiempo inicial, t0, luego se determina la

-

perdida de cabeza (h0-h1) en cm para varias lecturas y se anota el tiempo final t1. En esta forma se tiene simplemente para cualquier t1 un h1; cuando estos valores se hacen constantes se puede garantizar que el paso del agua es uniforme. Ensayo de cabeza constante: En el procedimiento se sustituye la bureta, utilizada en el anterior ensayo, por un embudo con rebose conservando la regla graduada en la posición inicial o sea con el punto cero coincidiendo con el nivel de salida del agua. Para lograr la saturación de la muestra se procede en la misma forma que se hizp para el ensayo de cabeza variable. Para iniciar el ensayo se le agrega agua al embudo hasta que salga continuamente por el rebose. Luego se mide la columna de agua (h) en cm, desde el nivel en el embudo hasta el nivel de salida del permeámetro. Esta altura se mantiene constante y el agua que pasa es un tiempo (t) corresponde al gasto total en ese tiempo al cual llamaremos (Q) que pasan en diferentes tiempos (t) con el objeto de obtener el promedio.

5. CALCULOS Y RESULTADOS - Ensayo de cabeza variable Permeabilidad en arcillas Temperatura =22°C a= área de la bureta A= área del cilindro t= tiempo h= altura k=

h 2.3∗a∗L ∗log 10 0 h1 A∗( t 1−t 0 )

1era experiencia: k=

2.3∗2 cm 2∗7.74 cm 71.1 cm ∗log 10 ( ) 2 61 cm 30.68 cm ∗( 99 s−0 s ) cm s

k = 0.00078

Corrección por temperatura: k =0.00078∗¿ 2da experiencia: 2

k=

2.3∗2 cm ∗7.74 cm 56.4 cm ∗log 10 ( ) 2 48.4 cm 30.68 cm ∗( 112 s−0 s )

k = 0.000689

cm s

Permeabilidad promedio: 0.000689+ 0.00078 cm =0.0007345 2 s

k=

Corrección por temperatura: k =0.0007345∗0.95313=0.0007

-

cm seg

Ensayo de cabeza constante Permeabilidad en árido grueso Temperatura=19 °C 2 Area= 30.68 cm Altura= 48.5 cm Longitud de línea a línea= 7.74 cm t= tiempo L ∗q h∗A k= t

1era experiencia: 7.74 ∗14 48.5∗30.68 cm k= =0.001214 60 seg 2da experiencia: 7.74 ∗2 4 48.5∗30.68 cm k= =0.001189 105 seg 3ra experiencia: 7.74 ∗36 48.5∗30.68 cm k= =0.001248 150 seg Permeabilidad promedio: k=

0.001214 +0.001189+ 0.001248 cm =0.001217 3 seg

Corrección por temperatura: k =0.001217∗1.02477=0.001247

cm seg