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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL LA TECNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

PRACTICA NO. 9

PERMEABILIDAD NORMA ASTM D2434

MATERIA: LABORATORIO DE GEOTECNIA

REVISO: M. en C. María Guadalupe Olin Montiel

ALUMNO: Antonio Garcia Hernandez

FECHA: 22-NOVIEMBRE-2019

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez

INTRODUCCION El coeficiente de permeabilidad es una constante de proporcionalidad relacionada con la facilidad de movimiento de un flujo a través de un medio poroso. Existen dos métodos generales de laboratorio para determinar directamente el coeficiente de permeabilidad de un suelo. Ni el ensayo de cabeza constante ni el de cabeza variable permiten obtener valores del coeficiente de permeabilidad de un suelo demasiado confiables. Existen muchas razones para esto, pero las principales son las siguientes: 1. El suelo que se utiliza en el aparato de permeabilidad nunca es igual al suelo que se tiene en el terreno - siempre estará algo alterado. 2. La orientación in situ de los estratos con respecto al flujo de agua es probablemente diferente en el laboratorio. En arenas, ia relación entre el flujo horizontal y el flujo vertical puede ser entre 3 y 4 veces mayor (kh /k, = 3 ó más), en la generalidad de los casos. En el laboratorio, aún si se duplica adecuadamente la relación de vacíos para la arena, la relación entre kh/kv se perderá probablemente. Los rellenos arcillosos generalmente poseen fisuración horizontal debido a la forma de su colocación y compactación en capas de 15 a 30 cm de altura. Esto produce kh '" kv> de nuevo una situación que difícilmente se puede reproducir en el laboratorio 3. Las condiciones de frontera son diferentes en el laboratorio. Las paredes lisas del molde de permeabilidad mejoran los caminos del flujo con respecto a los caminos naturales en el terreno. Si el suelo tiene estratificación vertical, el flujo en los diferentes estratos será diferente, y esta condición de frontera es casi imposible de reproducir en el laboratorio. 4. La cabeza hidrúalica h puede ser diferente (a menudo mucho mayor) en el laboratorio, lo cual causa el lavado del material fino hacia las fronteras con una posible reducción en el valor de k. Los gradientes hidráulicos obtenidos en el terreno (i = h/L) varían entre 0.5 y 1.5, mientras que en el laboratorio suelen ser 5 ó más. Existe evidencia obtenida en diferentes investigaciones que hace pensar que v = ki no es una relación lineal para todos los valores de i, especialmente para valores grandes [Mitchell y Younger (1967)). Por otra parte, existe también evidencia de que en suelos finos (arcillas), puede existir un gradiente de umbral por debajo del cual no hay flujo [Terzaghi (1925)]. 5. El efecto del aire atrapado en la muestra de laboratorio es grande aún para pequeñas burbujas de aire debido al tamaño tan pequeño de la muestra. El coeficiente de permeabilidad de una masa de suelo homogénea, isotrópica depende principalmente de los siguientes factores: 1. La viscosidad del fluido en los poros (normalmente agua). A medida que la temperatura aumenta, la viscosidad del agua disminuye y el coeficiente de permeabilidad aumenta; es decir, la velocidad de flujo aumenta. El coeficiente de permeabilidad se ha normalizado a 20° e, de forma que el coeficiente de permeabilidad a cualquier temperatura T se puede expresar con respecto a k,o , por medio de la siguiente ecuación: El permeamétro patrón de compactación, que utiliza el molde de 944 cm3 utilizado en el experimento patrón de compactación, es ampliamente utilizado para determinar la permeabilidad de especímen compactado, para tales como los necesarios para núcleos de presa, diques, etc. Esto no impide, sin embargo , la posibilidad de utilizar otros aparatos de permeabilidad, tales como los mostrados en la Fig.ll-1, (de tubería plástica), que pueden fabricarse directamente en el laboratorio y son relativamente baratos.

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez En los métodos de laboratorio, la caída hidráulica total (o pérdida de cabeza) ocurre supuestamente a través de la muestra de suelos, mientras que una pequeña pérdida de cabeza hidráulica tiene lugar a través de la piedra porosa que existe en la base del aparato de permeabilidad. Lo anterior puede evitarse construyendo el aparato como se muestra en la Fig. 11-1, de forma que la pérdida de cabeza que sucede a través de dos mallas de tamiz No. 200 en los extremos de la muestra sea completamente despreciable. Los ensayos de laboratorio que se utilizan para determinar el coeficiente de permeabilidad del suelo, a menudo requieren el uso de agua desaireada (y algunas veces destilada). El uso de agua de aireada puede ser de gran utilidad ya que la presencia de burbujas de aire en solución en muestras pequeñas de laboratorio puede afectar bastante los resultados al compararlos con el efecto del mismo tipo de burbujas en el suelo natural. En opinión del autor, excepto para investigaciones de precisión, el uso de agua desaireada introduce un aumento cuestionable en la precisión de la determinación de k en ensayos rutinarios de laboratorio, cuando se considera las inexactitudes de todo el ensayo y el hecho de que el agua en el campo no es desaireada ni destilada. Dos procedimientos bastante simples se pueden utilizar para reducir el problema del aire en solución. Una técnica consiste en utilizar para el ensayo agua ligeramente más tibia que la temperatura del suelo, de forma que el agua se enfríe a la perca lar a través del suelo; esto atraerá el aire de la muestra a la solución. La otra técnica consiste en usar un gradiente i suficientemente grande, de forma que la presión obligue al aire permanecer en solución. DEFINICIONES: Un material se dice que es permeable cuando permite el paso de los fluidos a través de sus poros. Permeabilidad (K): Coeficiente que indica la facilidad que tiene el agua en atravesar una masa de suelo. La permeabilidad en los suelos depende: 1.- Tipo de suelo: (distribución granulométrica). 2.- Tamaño de la partícula: (distribución del tamaño de poro). 3.- Viscosidad del fluido: (temperatura). 4.- Densidad del Suelo: Mientras más denso es el suelo menos permeable. 5.- Relación de Vacíos: a mayor relación de vacíos, mayor es la permeabilidad. 6.- Forma y disposición de los granos. 7.-Grado de saturación: a mayor grado de saturación, es mayor la permeabilidad en el suelo. 8.- En suelos arcillosos: La estructura juega un papel importante; dos suelos finos uno en estado disperso y otro con estructura floculenta, presenta permeabilidades diferentes con la misma relación de vacíos. La concentración iónica, si se cambia por ejemplo los iones de sodio de una bentonita por iones de calcio, la permeabilidad para la misma relación de vacíos se incrementa. Espesor de las capas de agua adheridas a las partículas de arcilla. Rangos de la permeabilidad: TIPO DE SUELO Grava Limpia Arena gruesa Arena fina Arcilla limosa Arcilla

K(cm/seg) 100-1.00 1.00-0.01 0.01-0.001 0.001-0.00001 0.00001

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez MEDICIÓN DE LA PERMEABILIDAD: Métodos Directos: • Permeámetro de carga constante. • Permeámetro de carga variable. • Prueba directa de la permeabilidad en campo. • Cálculo a partir de la curva granulométrica. • Cálculo a partir de la prueba de consolidación. • Cálculo con la prueba horizontal de capilaridad.

PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE OBJETIVO: Determinar la permeabilidad de un suelo por medición directa, con ayuda del permeámetro de carga constante y carga variable Se aplica a suelos gruesos, tales como gravas, arenas, con permeabilidades que oscilan entre 10 2 y 10-3 cm/seg. En este tipo de prueba, el suministro de agua se ajusta de manera que la diferencia de carga entre la entrada y la salida permanezca constante durante el período de prueba. Después que se ha establecido una tasa constante de flujo, el agua es recolectada en una probeta graduada durante cierto tiempo.

PERMEAMETRO DE CARGA CONSTANTE

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez EQUIPO Aparato de permeabilidad Cronometro Termómetro Cilindro graduado

Aparato de permeabilidad de carga constante PROCEDIMIENTO 1. Pesar el recipiente de material (granular) que será utilizado en el experimento. 2. Armar el aparato de permeabilidad hasta donde se necesite para colocar el suelo para el ensayo. Determinar el volumen de sucio introducido si no se había hecho antes. 3. Cada grupo debe realizar un experimento a diferente densidad de los demás. Esto se consigue colocando el suelo suelto, sometiéndolo a un tipo de vibración o introduciéndolo con suficiente esfuerzo de compactación. Registrar en el tablero la densidad de la muestra de cada grupo para evitar que haya dos grupos con la misma densidad. Tratar de variar la densidad en un máximo de 0.4 a 0 .6 kN/m' entre todos los grupos. Si se utiliza el permeámetro patrón de compactación se recomiendan los pasos 4 a 6 en orden.

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez 4. Colocar un disco de papel de filtro sobre la parte superior de la arena, enrasar cuidadosamente el material en el molde, colocar un empaque de caucho sobre el borde del molde, y ajustar firmemente la tapa del molde. La tapa debe tener una pieza plástica transparente a la cual se puede ajustar la entrada de la tubería del agua posteriormente. Conectar a la válvula de salida un tramo adecuadamente largo de tubería de caucho. 5. Colocar el permeámetro en una cubeta llena de agua de forma que la tapa del permeámetro quede sumergida por lo menos 5 cm debajo del nivel del agua. Asegurarse de que la válvula de salida del permeámetro esté abierta, de manera que el agua pueda entrar a través de la muestra para saturarla con una cantidad mínima de aire atrapado. Cuando el agua alcance la altura de equilibrio del tubo plástico que se conectó a la válvula de entrada del permeámetro, se puede suponer que el proceso de saturación ha concluido. Un período de 24 horas permitirá mejores resultados en la saturación, pero para el objetivo del experimento este período puede ser demasiado largo. Nótese, sin embargo, que este procedimiento puede causar una ligera expansión en la muestra dentro del molde. 6. Con el nivel de agua estabilizado en la tubería de entrada, cerrar la válvula de salida o prensar el tubo de plástico valiéndose de un artefacto adecuado. Sacar el permeámetro de la cubeta de inmersión, y conectar al tubo de entrada una tubería vertical conectada a su vez a un recipiente de cabeza constante. 7. Desairear las líneas de entrada a la muestra, abriendo la válvula de entrada al permeámetro y simultáneamente abriendo la válvula de drenaje que existe en la tapa superior del permeámetro. Una vez se ha removido todo el aire que pudiera estar atrapado, cerrar la válvula de drenaje. Medir la cabeza hidráulica a través de la muestra. Cuando se utilice el permeámetro plástico de Bowles 4. (a) Armar el aparato. Orientar las tuberías de entrada y salida convenientemente para la recolección de agua y la saturación/drenajes iniciales. 5. (a) Conectar la entrada del agua al recipiente de suministro. A continuación, dejar saturar lentamente la muestra (por observación visual) y estabilizar la condición de flujo permitiendo que fluya agua por un tiempo. A continuación, cerrar la válvula de entrada y salida y regresar al paso No. 8. 8. Utilizar un recipiente de 500 ó 1000 mi (mayor si es posible) para recibir el agua a la salida del permeámetro. Registrar el tiempo necesario para almacenar entre 750 Y 900 mi de agua. Registrar también la temperatura del agua y repetir dos o tres mediciones similares adicionales utilizando un tiempo constante (t = constan~). La cantidad de agua recogida en ensayos sucesivos es decreciente; esto debe considerarse en la "Discusión" del informe. Registrar todos los datos del experimento en el formato respectivo de ensayo. 9. Cada grupo debe calcular su valor de k para la temperatura del ensayo. Igualmente cada grupo debe calcular k 20 para el ensayo (con t = constante, T debería ser constante si el montaje es estable, de forma que es posible promediar Q y calcular un valor único para k T ; si. no se cumplen estas condiciones, es necesario calcular el valor particular de k T para cada ensayo y los correspondientes valores de k 20 ). Colocar el promedio de los valores de k 20 en el tablero junto al valor de la densidad. Obtener las correcciones de temperatura para la viscosidad a partir de la Tabla 12-1. El coeficiente de permeabilidad se calcula como: 𝑘=

𝑄𝐿 𝑐𝑚/𝑠 𝐴ℎ𝑡

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez

CALCULOS Permeámetro de carga constante 𝐾=

𝑉𝐿 𝐴𝐻 𝑡

A= (*d*2)/4 = (*6.272)/4 = 30.88 cm2 V =A*L= 30.88* 13.70 = 423,06 cm3 𝐾=

18∗13.70 30.88∗17.70∗25.64

= 1,76x102

Donde V = 87 cm3(no es constante) L = 13.70 cm A=

30.89 cm2

H = 17.7 cm t=

𝐾=

25.64 seg. 𝑙𝑛(

140 )0.196∗17.80 130

181,46∗60,5

= 2,36x10-5

RESULTADOS

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL LA TECNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

PROYECTO: UBICACIÓN: PROFUNDIDAD: FECHA:

PERMEABILIDAD (PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE) ESIA ZACATENCO m OPERADOR: NAF: SONDEO: Suelo 1

Dimensiones de la muestra: altura 20.32 peso del suelo inicial peso del suelo final peso de la muestra h= kt=

87.00 QL/Aht

EXPERIMENTO 1 2 3 4

K=

Diametro: cm 2984.20 1427.30 1556.90

7.62

cm

g g g

Area:

45.60

cm2

Vol. Peso Vol.

926.20 16.50

cm3 kN/m

nt/n20=

0.95

k20=

0.02

cm 0.02

DATOS DEL EXPERIMENTO I.S Q cm3 180 775 180 775 180 772 180 761

0.022 cm/s

cm/s

T ºc 23 22 22 23

EXPERIMENTO 1 2 3 4 PROMEDIO

nt/n20= k20=

cm/s

DATOS USADOS I.S Q cm3 T ºc 180 775 22 180 772 23 180 761 23 180 761 22 180 769.3 22

0.9531 0.021 cm/s

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez

PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE Objetivo Introducir al estudiante a un método de determinación del coeficiente de permeabilidad de suelos finos (arenas finas tales como limos o arcillas). El experimento puede también utilizarse para suelos de grano grueso. Equipo Aparato de permeabilidad Cronómetro Termómetro Templete con mástil y soporte para agarrar tubos de ensayo o similar que permitan desarrollar una cabeza hidráulica diferencial a través de la muestra. Bureta (para utilizarla con el templete o cualquier otro tipo de soporte). Exposición general La exposición general del experimento No. 11 es aplicable también a este experimento. Las limitaciones del ensayo de cabeza constante son inherentes a este experimento, y además, si el experimento tiene una duración excesiva. será necesario controlar la evaporación del agua en la tubería de entrada.

donde a = área de la sección transversal de la bureta o tubería de entrada cm2 A= área seccional de la muestra de suelo, en cm' h1= cabeza hidráulica a través de la muestra al comienzo de experimento (t = O) h2 =cabeza hidráulica a través de la muestra al final del ensayo (t = t ensayo ) L = longitud de la muestra en cm t = tiempo transcurrido durante el experimento, en segundos In= logaritmo natural (en base 2.7182818 ... )

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez Procedimiento 1. Preparar la muestra de suelo siguiendo las instrucciones generales del experimento 2. Llenar la bureta (o tubería de entrada) hasta una altura conveniente y medir la cabeza hidráulica a través de la muestra para obtener h, . 3. Iniciar el flujo de agua y echar a andar simultáneamente el cronómetro. Dejar que el agua corra a través de la muestra hasta que la bureta (o tubería de entrada) se encuentre casi vacía. Simultáneamente parar el flujo y registrar el tiempo transcurrrido. Obtener la cabeza h , . Registrar la temperatura del ensayo. Si es necesario registrar el área de la tubería de entrada a, se puede recoger el agua en un recipiente tipo beaker. 4. Volver a llenar la bureta (o tubería de entrada) de agua y repetir el ensayo dos veces adicionales. Utilizar los mismos valores para h, y h, y obtener los tiempos transcurridos correspondientes. Hacer mediciones de temperatura para cada ensayo. Si es necesario calcular el área de la tubería, recoger el agua para cada experimento y acumularla en un cilindro graduado. Después de terminado el último experimento obtener Qensayo promedio como: 𝑄𝑡 𝑄𝑒 = 𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜𝑠 a partir del cual se puede calcular fácil y bastante aproximadamente el valor de a. Este cálculo no es necesario si se utiliza una bureta graduada. Si el ensayo se hace con el Experimento No. 11 y no se han obtenido aún datos para el ensayo de cabeza constante, tornar datos para dicho ensayo a continuación' . 5. Cada persona debe calcular el coeficiente de permeabilidad a la temperatura del ensayo, k-r y a 20° C. Obtener correcciones para viscosidad del agua a partir de la tabla Utilizar el formato correspondiente. Promediar los resultados para k (nótese que un valor único puede calcularse si no hay variación en la temperatura mayor de 1 a 2° C y si se utilizó h I Y h, = constante para todos los diferentes ensayos, ya que el tiempo puede ser promediado en esas condiciones).

CALCULOS Cálculo del coeficiente de Permeabilidad: Permeámetro de carga variable

𝐾=

ℎ1 𝑙𝑛 ( ℎ2) 𝑎𝐿 𝐴 𝑡

Donde: a = 0.196 cm2 L=

17.80

cm

A=

181,46 cm2

h1 = 140 cm h2 = 130cm 𝐾=

𝑙𝑛(

140 )0.196∗17.80 130

181,46∗60,5

= 2,36x10-5

Corrección por temperatura: (con carga variable) Kt 20 ---- = ----K20 T

T K20 = ----------- Kt 20

K20 = (1.02 * 2.36) = 2,41 x10^-5 cm/seg.

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PROYECTO: UBICACIÓN: PROFUNDIDAD: FECHA:

PERMEABILIDAD (PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE) ESIA ZACATENCO m OPERADOR: NAF: SONDEO: Suelo 1

Dimensiones de la muestra: altura 20.32 peso del suelo inicial peso del suelo final peso de la muestra h= kt=

87.00 QL/Aht

Diametro: cm 2984.20 1427.30 1556.90

cm

g g g

Area:

45.60

cm2

Vol. Peso Vol.

926.20 16.50

cm3 kN/m

nt/n20=

0.95

k20=

0.02

cm 0.02

DATOS DEL EXPERIMENTO EXPERIMENTO I.S Q cm3 1 180 775 2 180 775 3 180 772 4 180 761

K=

7.62

0.022 cm/s

cm/s

T ºc 23 22 22 23

EXPERIMENTO 1 2 3 4 PROMEDIO nt/n20= k20=

cm/s

DATOS USADOS I.S Q cm3 T ºc 180 775 22 180 772 23 180 761 23 180 761 22 180 769.3 22 0.9531 0.021 cm/s

PERMEABILIDAD | Antonio Garcia Hernandez

CONCLUSIONES De acuerdo a las prácticas ejecutadas en los ensayos de permeabilidad, para la obtención de parámetros de obtención de k, se llevaron de manera satisfactoria, aunque nos encontramos con pequeños inconvenientes para al memento de ingresar la muestra al aparato. Estos parámetros obtenidos nos ayudan en cálculos de flujo de agua, para excavaciones, presas taludes, terracerías en pavimentos y demás diseños de obra civil. El coeficiente de permeabilidad es una medida directa y completa de la permeabilidad del suelo, muchos la definen de la siguiente manera, este coeficiente de permeabilidad: como velocidad de flujo, cuando el gradiente hidráulico es unitario. La permeabilidad no es más que la mayor o menor facilidad con que el agua atraviesa la sección del suelo. La permeabilidad depende principalmente de la granulometría de un suelo. La magnitud del coeficiente de permeabilidad depende de la viscosidad del líquido, tamaño, área y forma de los conductores en la cual fluye el agua. La permeabilidad es una propiedad mecánica del suelo. Reportando siempre K20 = K, y la temperatura específica para el respectivo diseño que realicemos, son puntos importantes que no debemos olvidar. El permeámetro de carga constante se usa para suelos permeables suelos gruesos como: arena y gravas limpias El permeámetro de carga variable se usa para suelos menos permeables, suelos gruesos como: gravas, arenas limosas, arenas arcillosas y hasta limos Los valores obtenidos del coeficiente de permeabilidad realizando el ensayo con flujo ascendente como descendente son similares, así como de la velocidad del flujo. Con esto se concluye que la fuerza de gravedad no es influyente en la realización del ensayo. La prueba se realiza bajo un régimen de flujo laminar para no remover las partículas finas que pueda contener la muestra de suelo, para ello se recomienda que el porcentaje de finos presentes en la muestra no sea más del 10% que pase la malla No. 200

BIBLIOGRAFÍA: Dominguez Peña, R., & Hernandez Melgar, S. (2006). Manual de Practicas de Laboratorio de Geotecnia. Mexico DF. Guerrero, U. A. (s.f.). Manual de Mécanica de Suelos. Laboratorio de Mécanica de Suelos. Das, B. M “Soil Mechanics Laboratory Manual” Oxford University Press, 2001 SMMS “Exploración Geotécnica” Sociedad Mexicana de Mecánica de suelos, 1986 Bowles, J. E. “Manual de laboratorio de mecánica de suelos en ingeniería civil”,1978 SRH “Manual de Mecánica de suelos” Quinta edición, México 1970