¡Descarga Coeficiente de Permeabilidad y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Mecánica de suelos solo en Docsity!
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD
Los poros-canales en una masa de suelo son tan delgados, sinuosos e irregulares en su sección transversal y complejos en su intersección y subdivisión que el análisis de flujo a través de todos los poros individuales no sería posible. Sin embargo, en aquellos problemas de ingeniería que involucran la absorción a través del suelo, el flujo que ocurre en cada poro no es de interés. Por el contrario, el flujo que se desea conocer es el flujo combinado a través de todos los poros de un elemento cuyo volumen sea suficientemente grande para dar una representación típica de toda la masa de suelo que se trate.
Ley de Darcy
El flujo de agua a través de medios porosos está gobernado por una ley descubierta experimentalmente por Darcy en 1856, quien investigó las características del flujo de agua a través de filtros de material térreo. Utilizando determinados dispositivos de diseño, Darcy encontró que para velocidades suficientemente pequeñas el gasto o caudal Q es
Donde: Q: Caudal o gasto [cm3 /seg]
∂V: variación del volumen en un diferencial de tiempo
∂t: diferencial de tiempo
k: coeficiente de permeabilidad [cm/seg]
i: gradiente hidráulico [adimensional]
A: sección transversal del filtro [cm2]
Si se considera la ecuación de continuidad
Donde: Q: caudal o gasto [cm3 /seg]
v: velocidad [cm /seg]
A: área transversal [cm2]
Es posible relacionarlos de forma tal que
Expresión conocida como Ley de Darcy.
Gradiente Hidráulico
El gradiente hidráulico (i) se define como la pérdida de energía experimentada por unidad de longitud recorrida por el agua; es decir, representa la pérdida o cambio de potencial hidráulico por unidad de longitud, medida en el sentido del flujo de agua. Ò, en otras palabras, se puede definir el gradiente hidráulico como la magnitud vectorial determinada por el incremento de potencial del agua por unidad de distancia.
Coeficiente de permeabilidad
Los estudios de Darcy también utilizan un valor de velocidad v, dicha velocidad es la velocidad de descarga que se define como la cantidad de agua que circula en la unidad de tiempo a través de una superficie unitaria perpendicular a las líneas de filtración.
En arenas firmes saturadas y en otros suelos de granos finos, también saturados, donde la circulación del agua no afecta la estructura del material, la velocidad v puede ser determinada casi exactamente por:
Donde: η: viscosidad del agua, en KN seg / cm
K: constante de permeabilidad (empírica), en cm
ip: gradiente de presiones, en KN/cm
La viscosidad del agua disminuye con la temperatura, K es constante para un material permeable dado, con porosidad dada y además es independiente de las propiedades físicas del líquido que filtra por el material. Si se reemplaza el valor de ip por su equivalente i.γw se tiene:
La mayoría de los problemas que enfrenta la Ingeniería Civil, tratan filtraciones de agua a poca profundidad, con muy poca variación de la temperatura del líquido, de modo que γw es prácticamente constante. Como además, dentro de ese rango de temperaturas η varía entre límites poco extensos, es costumbre expresar la ecuación anterior como
Donde
Reemplazando y reordenando, obtenemos el valor del coeficiente de permeabilidad k.
En los ensayos de permeabilidad, las fuentes más importantes de error son la formación de una pequeña capa de material fino en la superficie de la muestra, que actúa luego como filtro, y la existencia o formación de burbujas de aire dentro de la muestra de suelo. Ambos errores reducen la permeabilidad. El error originado por la formación de un filtro puede ser eliminado midiendo la pérdida de carga entre dos puntos situados en el interior de la muestra.
Permeámetro 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 “a” del tubo recto son conocidos. En adición, las observaciones deben ser hechas en no menos de 2 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:
Reordenando e integrando la ecuación
Se obtiene el valor del coeficiente de permeabilidad k
o bien
El principio de carga variable puede alterarse en muchas formas para obtener resultados en un amplio campo de tipos de suelos. Tipos diferentes de tubos rectos pueden usarse con mayores o menores áreas de acuerdo con la penetrabilidad de los materiales.
Colapsabilidad del Suelo
Es el fenómeno producido en un terreno por el cual se reduce su volumen, por lo general por cambios en la humedad contenida en el mismo.
En algunos casos puede suceder como consecuencia de aplicación de cargas sin adición de agua.
Los suelos más susceptibles de llegar a un colapso son:
a. Suelos de granulometría tipo limo, en donde se encuentran arcillas con estructuras flojas.
b. Suelos granulares de bajo peso específico.
El CTE denomina a los Suelos Colapsables del Tipo T-3 (son Terrenos desfavorables para la construcción).
En suelos naturales poco consolidados, terrenos de rellenos y terrenos solubles, se requiere efectuar estudios de colapsabilidad para poder tomar las medidas preventivas y correctoras al momento de diseñar las cimentaciones.
Ensayos y Análisis de los Suelos Colapsables
Estos suelos sufren un cambio de volumen por inmersión. Para determinar el tipo de colapsabilidad del suelo se hacen pruebas de consolidación de laboratorio (ensayos de colapso: endométricos, triaxiales, etc.)
En estas pruebas se reproduce el efecto de saturación súbita del terreno cuando se lo somete a una carga de magnitud prefijada.
Extracción de muestras
Las muestras para pruebas en laboratorio se extraen mediante sondeo o calicatas, cuidando de no modificar la estructura del suelo, es conveniente realizar sondeos en seco o con muy poca agua.
Análisis del emplazamiento
Además de los ensayos en laboratorio, se realiza una estimación del emplazamiento y se consideran los siguientes puntos:
- Cota del nivel freático y sus oscilaciones estacionales.
- Antigüedad del terreno y consolidación.
- Determinar tipo de cimentaciones a construir.
Ensayos de campo
Si un terreno es susceptible al colapso por cambios de humedad, pueden realizarse ensayos de campo, tales como:
Determinación del potencial de colapso:
donde:
di = lectura del dial con el esfuerzo adecuado antes de la saturación (mm.)
df = lectura del dial bajo el esfuerzo adecuado después del humedecimiento (mm.)
ho = altura inicial de la muestra (mm.)
Tmbién se puede evalua en términos de relación de vacíos:
donde:
Δe = cambio de relación de vacíos bajo el esfuerzo adecuado antes y después de la inundación.
eo = relación de vacío inicial
La evaluación de un suelo colapsable será de acuerdo a la siguiente tabla:
Con todo lo explicado, concluimos que el colapso de los suelos es la disminución moderada de volumen cuando está con bajo contenido de humedad y una gran pérdida cuando está sumergido, y la magnitud de asentamiento depende del contenido de humedad del suelo. En estado sumergido y bajo la aplicación de cargas verticales los suelos colapsables presentan un mayor asentamiento. Los suelos colapsables existen en todo el mundo principalmente en la regiones áridas y semiáridas, nuevamente comentando que los depósitos eólicos, coluviales, residuales, tubos volcánicos, etc. son suelos que pueden ser colapsables.
Para finalizar este post, recalco que en muchos casos los suelos colapsables no son detectados durante la inicial investigación, es por eso que se debería dar una profunda investigación sobre la existencia de estos suelos y los métodos de tratamiento son necesarios.
Universidad Católica Andrés Bello – Extensión Guayana
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Industrial
Cátedra: Lab de Suelos I
Permeabilid
ad y
Colapso
2º INFORME
Profesor: Rubén Márquez
Autor: Kelvyn Tochon
Puerto Ordaz 19 de Junio del 2018
