INFORME DE LABORATORIO N°5
Ensayo de Permeabilidad
CI4401 – GEOTECNIA
Nombre:
Ayudante encargado:
Profesor:
Fecha de realización:
Fecha de entrega:
Natalia Ramírez N.
Emilia Castillo F.
Cesar Pastén.
28/10/2013
11/11/2013
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Descripción experimental permeabilidad
Tipo: Monografías, Ensayos
2015/2016
1 / 10
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INFORME DE LABORATORIO N°
Ensayo de Permeabilidad
CI4401 – GEOTECNIA
Nombre:
Ayudante encargado:
Profesor:
Fecha de realización:
Fecha de entrega:
Natalia Ramírez N.
Emilia Castillo F.
Cesar Pastén.
28 /10/
11/11/
ÍNDICE
- Introducción
- Metodología del Ensayo........................................................................................................................
- 2.1. Materiales:
- 2.2. Metodología utilizada:
- Memoria de Cálculo
- Gradiente hidráulico i :
- Velocidad del Flujo ν
- Permeabilidad intrínseca del suelo k :
- Caudal Q :
- Conductividad hidráulica en permeámetro carga variable:
- Memoria de Cálculo
- Resultados del laboratorio
- Problema Práctico
- Conclusiones
- Referencias
1. Introducción
La permeabilidad es una propiedad de los suelos, que hace referencia a la capacidad de un fluido a pasar por medio de una muestra, a través de sus vacíos, por la aplicación de una carga hidráulica. El estudio de la permeabilidad tiene gran incidencia sobre análisis de un suelo para construcción, mineralogía, etc.
El ensayo del permeámetro permite caracterizar la permeabilidad de un suelo, determinando la permeabilidad (o conductividad) hidráulica del suelo, dependiente de las características del suelo y del fluido en cuestión (viscosidad, densidad); y la conductividad intrínseca, dependiente solo del suelo y, por lo tanto, es propiedad de este.
Dado que la cantidad de flujo que pase a través del suelo depende de la cantidad de poros, su tamaño, y la conexión entre estos; estas propiedades serán variables si estas condiciones varían. En el presente informe se mostrarán los resultados obtenidos para un ensayo de Permeámetro de carga constante, para un suelo en su densidad mínima y máxima; por lo que se encontrarán distintos valores.
El ensayo de Permeabilidad de carga constante, utiliza un equipo como el de la Figura1, donde se coloca una muestra de suelo y se hace pasar el fluido por él, modificando la altura hidráulica en la tubería. Para que la carga constante “el suministro de agua se ajusta tal que la diferencia de carga entre la entrada y salida permanece constante durante el periodo de prueba” (ASTM 2434), por lo que el flujo se deja pasar por la muestra hasta que tome una tasa constante; para luego comenzar las mediciones.
Figura1: Permeámetro a carga constante
Según describe la Norma ASTM 2434, se debe determinar el peso y volumen del permeámetro a utilizar, para luego vaciar la muestra en el molde y compactarla (por vibración, un pistón, etc., dependiendo el tipo de suelo). Se deben reservar dos muestras representativas para medir su humedad posteriormente.
El suelo compactado en el molde se rasa, para luego colocar un papel filtro y una goma sobre este, para ajustar la tapa del permeámetro. Se sumerge en agua, por lo menos bajo 5[cm] del nivel de líquido durante 24[hr], con las válvulas de entrada y salida abiertas; tal de saturar la muestra. Se cierran las válvulas y se saca el permeámetro del agua, para conectarlo a la tubería (Figura1) conectada a un recipiente de nivel de agua constante. Con las válvulas cerradas, se mide el nivel de agua H, y se coloca un recipiente graduado en la salida del permeámetro; se abren simultáneamente las válvulas de entrada, salida y suministro de agua, y se mide el tiempo necesario para llenar el recipiente entre 750[ml] y 900[ml], cuya temperatura se mide. Se realizan 2 o 3 mediciones más, utilizando el tiempo determinado en el primer ensayo, registrando el volumen de agua del recipiente cada vez.
2. Metodología del Ensayo
2.1. Materiales:
Molde patrón Máquina de compactación. Aparato de Permeabilidad. Cronómetro. Cilindro graduado. Balanza.
2.2. Metodología utilizada:
Se determina la densidad máxima de una muestra de suelo, utilizando un molde de compactación (masa y volumen conocidos). Este se llena en 5 capas, el suelo al poner cada una; la última capa debe sobrepasar el molde. Una vez lleno, se rasa y se mide su masa, con la que se calculará la densidad. Por otra parte, en un molde patrón (masa y volumen conocidos) se determina la densidad mínima,
Se pone un filtro de papel sobre la parte superior, se ajusta el molde y se conecta a un aparato de saturación (Figura). El suelo se satura utilizando una bomba de vacío bajo al menos 500[mm], durante 15 minutos. Una vez saturado, se conecta al perméametro, a una tubería vertical que a su vez está conectada a un recipiente de carga constante. Se registra el tiempo necesario para llenar el cilindro
Conductividad hidráulica en permeámetro carga variable:
Dónde: (V) a: área transversal de la tubería L: largo de la muestra de suelo. A: área transversal del permeámetro. ∆t: tiempo hi: Altura inicial del fluido en la tubería. hf: altura final del fluido en la tubería.
4. Resultados del laboratorio
De dos muestras de suelo, una se compacta para lograr su densidad máxima, y la otra se deposita tal de lograr su densidad mínima; todo esto en un molde patrón en cada caso. Los resultados y dimensiones de los moldes se muestran en las Tablas 1 y 2, donde Lo corresponde a la longitud del permeámetro y Ao a su sección.
Tabla1: Muestra de suelo para densidad menor P suelo seco (g) 1399 Volumen Muestra(cm^3 ) 953, Densidad [kg/m^3 ] 1467, Lo [cm] 11, Ao [cm^2 ] 81, Tabla1: Muestra de suelo para densidad menor
Tabla 2: Muestra de suelo para densidad mayor P suelo seco (g) 1515 Volumen Muestra(cm^3 ) 952, Densidad [m^3 /s] 1590, Lo [cm] 11, Ao [cm2] 80, Tabla2: Muestra de suelo para densidad mayor.
Se instala el perméametro para realizar las mediciones. Se registra la masa de agua que pasa por el permeámetro cada 60[s]; para ambas muestras y distintas cargas hidráulicas ( H). Los datos obtenidos se muestran en las Tablas 3 y 4.
Tabla 3: Resultados para densidad menor H [cm] Tiempo (s) Peso agua[g] 20 60 29, 40 60 50, 60 60 69, 80 60 101, Tabla 3: Resultados para densidad menor.
Tabla 4:Resultados para densidad mayor H [cm] Tiempo (s) Peso agua[g] 40 59,88 17, 60 60,11 28, 80 59,78 39, 100 60,34 51, Tabla 4: Resultados para densidad mayor.
Con estos datos, se determina la conductividad hidráulica y la permeabilidad intrínseca en función de la densidad. Para esto, se determina primero el caudal de salida, y con la ecuación (IV) se calcula la velocidad del flujo. Con este dato, utilizando la ecuación (II) y el gradiente hidráulico obtenido por (I), se determina la conductividad hidráulica; y con esta y la ecuación (III) se obtiene la permeabilidad intrínseca. Los valores obtenidos para densidad mínima y máxima se muestran en las Tablas 5 y 6, respectivamente.
Tabla 5: Resultados para densidad menor Peso agua[g] i Caudal [m^3 /s] Velocidad[m/s] Kt [m/s] k[m^2 ] 29,77 0,70068027 4,96167E-07 6,1225E-05 8,7379E-05 8,7554E- 50,93 2,40136054 8,48833E-07 0,00010474 4,3618E-05 4,3705E- 69,8 4,10204082 1,16333E-06 0,00014355 3,4995E-05 3,5065E- 101,32 5,80272109 1,68867E-06 0,00020837 3,591E-05 3,5982E- Tabla 5: Resultados para densidad menor.
Tabla 6: Resultados para densidad mayor Peso agua[g] i Caudal [m^3 /s] Velocidad[m/s] Kt [m/s] k[m^2 ] 17,68 2,389830508 2,95257E-07 3,65736E-05 1,5304E-05 1,5334E- 28,27 4,084745763 4,70304E-07 5,82567E-05 1,4262E-05 1,4291E- 39,1 5,779661017 6,54065E-07 8,10192E-05 1,4018E-05 1,4046E- 51,89 7,474576271 8,5996E-07 0,000106523 1,4251E-05 1,428E- Tabla 6: Resultados para densidad mayor.
Para la densidad mínima, se determina la conductividad hidráulica en 3,817E-5[m/s], utilizando el promedio de los valores obtenidos, y la permeabilidad intrínseca en 3,82E-5[m^2 ]; se elimina el primer dato, dato que es alejado de los demás (se utiliza el promedio dado que estos valores dependen de la
Se observa como efectivamente la permeabilidad depende de las características del suelo, encontrándose para una misma muestra valores distintos al variar la densidad (por compactación). La muestra con densidad menor resultó más permeable, como se esperaba ya tiene un mayor índice de vacíos y por lo tanto el agua puede fluir más fácil y rápidamente a través de estos. La permeabilidad para la densidad mayor fue menor, y análogo al caso anterior es debido a su índice de vacíos, que esta vez es menor; dificultando el paso del agua.
Los primeros datos obtenidos fueron desechados debido a que se alejaban de la tendencia mostrada por los datos siguientes (similares entre si), y esto puede explicarse por el poco tiempo que se le dio a la muestra para lograr una carga constante. La norma indica 24 horas sumergido, y en este caso, debido al tiempo de duración de la actividad, se utilizó un aparato de saturación durante 15[min].
Por otra parte, los resultados pueden diferir de los reales debido a las aproximaciones realizadas, en que se asumió una temperatura de 20[°C] para el agua, utilizando los parámetros dependientes de esta para ese valor.
En el problema desarrollado, se estima correcto el resultado dado que la permeabilidad intrínseca es una propiedad del suelo, por lo que se asumió como constante para obtener la conductividad hidráulica. Por otra parte, al estimar el valor del tiempo para un permeámetro de carga variable, se obtienen aproximaciones acorde a los esperado, en que el tiempo para descargar la misma cantidad es mayor para la densidad mayor (al ser menos permeable).
7. Referencias
ASTM Standard D-2434, 1998, “Standard Test Method for Permeability of Granular. Soils (Constant Head)”, ASTM International,West Conshohocken, PA, 2003. DOI:10.1520/C0033-03.