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Un informe de laboratorio sobre la permeabilidad de suelos, una propiedad importante en proyectos de construcción como presas, filtros y diques. El informe detalla los procedimientos utilizados para determinar el coeficiente de permeabilidad del suelo mediante ensayos de cabeza constante y de carga variable. Además, se explica la teoría del comportamiento mecánico del suelo en presencia del agua y la importancia de la permeabilidad en la construcción civil.
Tipo: Apuntes
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Presentado por: Cristian Arley Parra Cruz 25422463 Santiago Andrés Chico Rodriguez^ Carlos Fernando Mejía León 25422425 25422470 Juan Nicolás Rodríguez Moreno 25422522
Presentado a: Ing. Guillermo Ávila
4.1 Metodología 4.2 Datos y Cálculos 4.3 Análisis de Resultados
5. ANALISIS ENSAYO PERMEABILIDAD CABEZA VARIABLE 5.1 Metodología 5.2 Datos y Cálculos **5.3 Análisis de Resultados
Del suelo: La porosidad del material. Estructura y estratificación (granulometría).grado de compactación. Del fluido: La densidad del fluido.Su temperatura. La presión a la que el fluido se somete (atmosférica o relativa). El coeficiente de permeabilidad k es un producto de la Ley de Darcy. En 1856, Darcy estableció una relación empírica para el flujo de agua a través de medios porosos conocida como Ley de Darcy. La permeabilidad k está en la dimensión de la velocidad.
La conductividad hidráulica de los suelos depende de varios factores:
La viscosidad del fluido, ya que existe una relación entre la viscosidad cinemática del agua y la permeabilidad del suelo. Agujeros y fisuras, creados por vegetación, animales, heladas y cambios extremos de temperatura. Distribución de tamaño de grano Relación de vacíos (véase ecuación de Casagrande para la permeabilidad) Grado de saturación del suelo.
Con el método de cabeza constante, k se calcula por medio de la siguiente ecuación:
Dónde:^ k=QL/AH^ (2) k = coeficiente de permeabilidad.Q= el caudal, que es el volumen de agua descargada en un intervalo de tiempo L = espesor de la capa de suelo. A = área de la sección transversal de la probeta, donde se encuentra el suelo H= Diferencia de alturas entre las superficies libres del tanque de entrada y el de descarga.
Mientras que para el caso del ensayo de permeabilidad de cabeza variable, k se calcula por medio de la siguiente ecuación:
Dónde: k = coeficiente de permeabilidad. a = Área del capilar o tubo Vertical A = área de la sección transversal de la probeta, donde se encuentra el suelo. L = Longitud de la Muestra de suelo H 0 = Carga hidráulica inicial Hf = Carga hidráulica t = Tiempo.
Se establecen los siguientes valores típicos de k para suelos saturados:
Nota. Tomado de Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ingeniería. GEOLOGIA Y GEOTECNIA. PERMEABILIDAD EN SUELOS. 2006.Mg Ing. Silvia Angelone.
4. ANALISIS ENSAYO PERMEABILIDAD CABEZA CONSTANTE 4.1 Metodología 4.2 Datos y Cálculos
Montaje del ensayo de cabeza constante
2.2 Se mide el caudal: se instala una probeta debidamente calibrada al final del tanque de salida del agua. se mide un tiempo de 30 segundos, mientras se llena un nivel de la probeta. se realiza el paso anterior tres veces para trabajar con el promedio del volumen. en cada lectura se mide la temperatura del agua. finalmente se halla el caudal con la ecuación: Q=V/t. 2.3 Se mide la presión de los piezómetros ubicados en el recipiente de la muestra. 2.4 Se mide la diferencia de altura entre superficies libres: se mide desde el piso hasta el nivel de referencia del tanque de salida. se mide desde el borde del mesón hasta el nivel del tanque de suministro. se mide desde el piso hasta el mesón. se calcula la altura desde el tanque de salida hasta el nivel del tanque de suministro. 2.5 Se mide el diámetro interno de la probeta. 2.6 Se mide la longitud de la muestra dentro de la probeta. 2.7 Se calcula el coeficiente de permeabilidad para cada probeta.
3. DATOS DE ENTRADA:
3.1 A continuación se indican las características de las probetas utilizadas en el ensayo.
Diámetro Interno (cm) 7, Peso Total de las Tres Muestras (g) 1800 Peso Específico 2, Tabla 2 datos de entrada
3.2 La muestra de suelo utilizada para el desarrollo del ensayo cuenta con la siguiente granulometría
Tamiz
Peso Retenido (g)
peso acumulado (g)
peso acumulado pasa (g)
% material pasa 4 15 15 711,3 97, 10 94,87 109,87 616,43 84, 20 150,26 260,13 466,17 64, 40 95,59 355,72 370,58 51, 60 55,69 411,41 314,89 43, 100 185,23 569,64 129,66 17, 200 124,66 721,3 5 0, Fond o 5,00 726,3 0 0 Tabla 3 granulometría de la muestra.
Recipiente 1: una muestra de 1800 gramos del material ubica dentro de una probeta sin compactar y durante tres capas, el diámetro de la probeta es de 7,4 cm. Recipiente 2: una muestra de 1800 gramos del material ubica dentro de una probeta compactada en tres capas con 100 golpes, el diámetro de la probeta es de 7,4 cm.
dato 2
dato 3
371 30 12,367 caudal promedio (m3/s)
prom 369,333 30 12,311 1,231E- Tabla 6 cálculo del Q para la probeta 3 con material 200 golpes
Promediando las diferencias entre manómetros tenemos que el valor en cm de agua, por lo tanto, el gradiente hidráulico es igual a:
i=ΔH/L
RECIPIENT E
Diferencia promedio entre piezómetros
Distancia promedio de los piezómetros en el recipiente
Gradiente hidráulico (i) 1 5,93 5 1, 2 4,65 5 0, 3 5,9 5 1, Tabla 7 cálculo del GRADIENTE HIDRÁULICO
Ahora se calcula la velocidad del flujo por medio del caudal y del área del recipiente: Q= (V)(A) RECIPIENTE CAUDAL (cm^3 /s)
(cm) ÁREA (cm^2 )
(cm/s) 1 13,13 7,4 43,008 0, 2 13,87 7,4 43,008 0, 3 12,31 7,4 43,008 0, Tabla 8 cálculo de la velocidad. V=Q/A
Ya que se conoce el gradiente hidráulico y la velocidad del fluido se puede determinar la permeabilidad del fluido mediante la ecuación de Darcy:
V=K*i K=V/i
Tabla 9 cálculo del GRADIENTE HIDRÁULICO
ANALISIS
Se determina una clara interrelación entre el estado de compacidad del material y su gradiente hidráulico, ya que a medida que hay menos porosidad en el material se pierde más energía en el proceso de atravesar de un extremo a otro. Según los resultados obtenidos en la permeabilidad y gradación del material se comprueba que es una arena limpia con una baja presencia de finos. El material en sus tres muestras independientemente del grado de compacidad, presento un drenaje medio, ya que es una arena con pocos finos.
Dependiendo de la altura de la la cabeza de posición, se produce un menor rango de tiempo para que el agua sature y atraviese la muestra. Es importante dejar que el material se sature por completo ya que la interacción con el aire puede provocar fisuras y cambios en la muestra al momento de escapar provocado por la reacomodación de las partículas después de su salida.
Gradiente hidráulico (i) VELOCIDAD (cm/s) K (cm/s)
1 1,186666667 0,305 0, 2 0,93 0,322 0, 3 1,18 0,286 0,
se deja fluir el agua y se toma un tiempo 0 cuando el nivel del agua se encuentra a 2m. se toman tiempos a determinadas alturas del nivel de agua en el capilar (1.897m, 1.8m, 1.702m, 1.45m, 1.342m, 1.1m y 0.9m) 5.1.2.3 Se mide el diámetro interno de la probeta. 5.1.2.4 Se mide la longitud de la muestra dentro de la probeta. 5.1.2.5 Se calcula el coeficiente de permeabilidad para la probeta.
5.2 Datos y Cálculos 5.2.1 5.2.1.1 Datos A continuación se indican las características de la probeta utilizada en el ensayo.
PARÁMETRO DATO Diámetro Interno (cm) 10, Peso Total de la Muestra (g) 1684 Peso específico 2, Tabla 9 Datos de entrada 5.2.1.2 La muestra de suelo utilizada para el desarrollo del ensayo cuenta con la siguiente granulometría
Tamiz
Peso Retenido (g)
peso acumulado (g)
peso acumulado pasa (g)
% material pasa 4 0 0 1325 100 10 435 435 890 67, 20 234 669 656 49, 40 114 783 542 40, 60 331 1114 211 15, 100 170 1284 41 3, 200 30 1314 11 0, Fond o 11 1325 0 0 Tabla 10 Granulometría de la muestra.
5.2.1.3 El material presenta la siguiente curva granulométrica:
5.2.2 Cálculos Iniciamos por calcular los valores de las áreas del capilar y la probeta, con base en los diámetros medidos durante el ensayo. Posteriormente junto a los datos de la longitud de la muestra y las alturas inicial y final para cada tiempo tomado, realizamos el cálculo del coeficiente de permeabilidad. 5.2.2.1 Los datos obtenidos se encuentran a continuación:
Diámetro del tubo vertical = 0,9 cm^ Diámetro de la muestra = 10,4 cm a (^) = 0,64 cm^2 A = 84,95 cm L = 11,9 cm^2
h (cm) t (s) h 0 200,0 0 h 1 189,7 11 h 2 180,0 22 h 3 176,2 33 h 4 145,0 66 h 5 134,2 82 h 6 110,0 121 h 7 90,0 160 Tabla10. Carga hidráulica vs tiempo
5.3 Análisis de Resultados
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE SUELOS NATURALES TIPO DE SUELO COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD Arcilla <10- Arcilla arenosa 10 -9^ a 10- Limo 10 -8^ a 10- Turba 10 -7^ a 10- Arena fina 10 -6^ a 10- Arena gruesa 10 -4^ a 10- Arena gravosa 10 -3^ a 10- Grava >10- Tabla Fuente: Mecánica de suelo, Peter Berry 11 Coeficientes de Permeabilidad
Tomando como referencia la tabla 11, promedio se puede clasificar la muestra de suelo como una Arena Gruesa. y con el dato de coeficiente de permeabilidad
Según los resultados de los coeficientes de permeabilidad obtenidos del ensayo de carga variable, se comprueba que el suelo es una arena arcillosa, cuyo drenaje es bajo debido a la presencia de finos en el suelo en este caso arcilla. Existe una relación directa entre el coeficiente de permeabilidad y la relación de vacíos, entre menor sea la relación de vacíos menor será valor de la permeabilidad del suelo. Comprobando de igual forma que existe una correlación entre la permeabilidad y la compacidad, debido a que a menor porosidad en el suelo, el tiempo en que tarda el líquido en atravesar el suelo es mayor. En este caso se puede observar que los valores de los coeficientes de permeabilidad obtenidos con el ensayo son más bajos, en comparación con los obtenidos del ensayo de carga constante. Existe una relación directa entre el coeficiente de permeabilidad y la relación de vacíos, entre menor sea la relación de vacíos menor será valor de la permeabilidad del suelo. De igual forma se comprueba con el ensayo que las perdidas de energía se producen por el paso del fluido a través del medio poroso.
El material se estudia en estado saturado, ya que por lo general en estado natural in situ, se encuentra por debajo del nivel freático y allí es donde aporta sus cualidades a las obras civiles. Siempre que se estudie la permeabilidad, se debe hacer los ensayos de relación de vacíos de la muestra preferiblemente inalterada, para correlacionar valores en estado saturado y semi saturado. Si el material es granular es mejor utilizar el ensayo de cabeza fija ya que es mas rápido cuando hay una relación de vacios considerable, en caso contrario es mejor utilizar el ensayo de cabeza variable para suelos finos ya que en este se puede graduar la cabeza de posición para forzar al agua a atravesar el material fino generalmente impermeable. Cuando un suelo es sometido a procesos de compactación o vibración, el valor de su relación de vacíos disminuye, y de igual manera el valor de su coeficiente de permeabilidad también disminuirá. El material compactado presenta menor caudal de descarga, se recomienda usar una energía alta de compactación en el lugar de obra para maximizar su eficiencia en las bases del edificio. En el caso del material del ensayo de carga constante, al ser una arena con baja porción de finos su cohesión interna es igualmente baja por lo cual se concluye que no posee valor portante de resistencia, no se recomienda su uso en obras de gran envergadura.
7. BIBLIOGRAFIA Vias, I. N. (2013). Ensayo de cabeza constante I.N.V.E 130-13. Juarez Badillo, R. R. (2005). Mecanica de suelos. Mexico: Limusa. Peter Berry. Mecanica de suelos.
