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GEOLOGIA Y GEOTECNIA2014

(2da edición)

PERMEABILIDAD DE SUELOS

Ing. Silvia Angelone

Ing. Pablo Torres

BIBLIOGRAFÍA

• Terzaghi y Peck: arts 11 y 23

• Braja Das: Cap. 4

• Apunte “Permeabilidad de suelos”

PROPIEDADES DE LOS SUELOS

• Propiedades Indice

• Clasificación e Identificación

• Permeabilidad

• Compresibilidad

• Resistencia a la Rotura

• Fluencia

• Relación tenso-deformación

SUELO

Los suelos son sistemas compuestos por tres fases:

• Sólida (partículas)

• Gaseosa (aire)

• Líquida (agua)

Los poros están comunicados entre sí

El agua fluye libremente

dentro de la masa de suelo

FLUJO LAMINAR O TURBULENTO

Flujo laminar: movimiento suave, uniforme, las líneas de flujo no se juntan. Las pérdidas de energía son proporcionales a la velocidad.

Suelos finos y algunas arenas

Flujo turbulento: movimiento caótico, irregular, las líneas de flujo se cruzan. Las pérdidas de energía son proporcionales a la v2

Suelos gruesos, gravas

LEY DE DARCY

El flujo de agua a través de medios porosos saturado está gobernado por la ley de Darcy (1856), quien encontró que para velocidades suficientemente pequeñas el gasto o caudal Q es:

Aikt

VQ

∂

∂ AvQ

ikv Si i < 5 , el flujo es laminar

GRADIENTE HIDRAÚLICO

a

zb

ha

za

hb

L muestra

ua

w ub

w b

Plano de referencia

Pérdida de carga h

L

h=i

Lh

ii wwp

CARGA HIDRAÚLICA

a

zb

ha

za

hb

L muestra

ua

w ub

w b

Plano de referencia

Pérdida de carga h

g2vu

zh2

w

bbb

Carga hidraúlica total en b

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

K

wk

k: es el coeficiente de permeabilidad (cm/seg)

K: constante de permeabilidad del material

viscosidad del fluido circulante

peso específico del fluido circulante.

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

K

wk

Permeabilidad: la capacidad del suelo para permitir que la atraviese el agua

k: es la velocidad del flujo producido por un gradiente hidraúlico unitario. [cm/s]

ikv

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL VALOR DEL

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DEL SUELO

• Relación de vacíos

• Viscosidad (Temperatura) del agua

• Estructura y estratificación

• Agujeros y fisuras

• Tamaño de partículas

• Aire ocluído (Sr) y materiales extraños en los vacíos (sales)

VARIACIÓN DE k CON LA RELACIÓN DE VACÍOS

85.02 ke4.1k

Relación de vacíos alta

no significa vacíos de

tamaño grande

VALORES DE k (cm/seg)

10010 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9

Drenaje Bueno Pobre Prácticamente impermeable

Tipo de suelo Grava limpia

Arenas limpias y mezclas limpias de arena y grava

Arenas muy finas, limosorgánicos e inorgánicos, mezclas de arena, limo y arcilla, morenas glaciares, depósitos de arcilla estratificada

Suelos “imper-meables”, es decir, arcillas homogéneas situadas por debajo de la zona de descom-posición

Suelos “impermeables”, modificados por la vegetación o la descomposición.

Determinación directa de k

Ensayo directo del suelo “in situ” por ensayos de bombeo. Se requiere mucha experiencia, pero bien realizados son bastante exactos.

Permeámetro de carga hidráulica constante. No se requiere mayor experiencia.

Determinación indirecta de k

Permeámetro de carga hidráulica decreciente. No se requiere mayor experiencia y se obtienen buenos resulta-dos

Permeámetro de carga hi-dráulica decreciente. Resultados dudosos. Se requiere mucha experiencia.

Permeámetro de carga hidráulica decreciente. Resultados de regular a bueno. Se requiere mucha experiencia.

Por cálculo, partiendo de la curva granulométrica. Sólo aplicable en el caso de arenas y gravas limpias sin cohesión.

Cálculos basados en los ensayos de consolidación.Resultados buenos. Se necesita mucha experiencia

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

Laboratorio:

• Permeámetro de carga constante

• Permeámetro de carga variable

In situ:

• Ensayo de Permeabilidad Lefranc

• Bombeo de acuífero libre

• Bombeo de acuífero confinado

Empíricos:

• Allen Hazen

• Consolidación

[cm/seg]D C =k 210

Ensayo de Permeabilidad en Laboratorio

PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE

h

L

piedras porosas

suelo

áreaA

Q = Vt

PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE

h

L

piedras porosas

suelo

áreaA

Q = Vt

t

V=Q

tV

AikQ

L

h=i 4

DA

2

2Dht4LV

AitVk

PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE

L

piedras porosas

suelo

áreaA

h2h1

h1-h2

área a

PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE

L

piedras porosas

suelo

áreaA

h2h1

h1-h2

área a t

ha

t

V

∂

∂Q

∫∫2

1

2

1

∂∂1

-t

t

h

h

tAL

kh

ha

AL

hkAik

t

ha

∂

∂

2

1

12 hhln

ttALak

Ensayo de Permeabilidad In situ

Ensayo de Permeabilidad Lefranc


Ejecución de una perforación hasta 14,50 m de profundidad, introduciendo una camisa de acero de

4 pulgadas (10 cm), que se hinca entre:

14,50 m y 15,82 m

Ensayo de Permeabilidad LefrancEnsayo puntual a carga variable

• Se limpia el interior de la camisa hasta de la profundidad hincada

• Se llena de agua limpia la camisa hasta una altura h1medida desde el nivel de la napa

• Se mide el intervalo de tiempo que tarda en bajar el nivel de agua en la camisa desde la altura h1 hasta otra altura h2, que también se mide hasta el nivel de la napa.

14,6

5 m

.

15,8

2 m

.

h 1.=

15,2

92 m

.

n.a.f.

Nivel de Terreno

h 2.=

15,2

69.m

,


Cálculo del coeficiente de permeabilidad

14,6

5 m

.

15,8

2 m

.

h 1.=

15,2

92 m

.

n.a.f.

Nivel de Terreno

h 2.=

15,2

69.m

,

2

1

12

ln11

2

h

h

tt

Rk

R = radio de la camisa = 5,08 cm.El agua descendió desde h1 = 15,292 m. hasta h2 = 15,269 m. en un intervalo t = t1 - t2 = 30 minutos.

.269,15

292,15ln

.180011

cm. 5,08 2

seg

k

seg

cmkdadpermeabilideeCoeficient 6104,2:

Ensayo de Permeabilidad LefrancEnsayo con bulbo a nivel constante

• Se extrae el material del interior de la camisa

• Se perfora formando una cavidad cilíndrica de 40 cm de profundidad (aprox.), bajo el fondo de la camisa.

• Se limpia circulando agua limpia por el interior de la camisa.

• Se introduce una canasta metálica cilíndrica de diámetro ligeramente inferior al del caño camisa llena con material granular suficientemente fino para cumplir la función de filtro y suficientemente grueso para que su permeabilidad sea elevada con respecto de la del suelo a ensayar.


•Se agrega agua manteniendo el nivel constante en el borde superior de la camisa, hasta verificar que se llega al estado de régimen, con caudal constante.


0,65 m.

14,6

5 m

.

0,38 m = L

15,8

2 m

.

15,2

9 m

.

n.a.f.

D = 0,1016 m.

Nivel de Terreno

HC

Qk

• k = coeficiente de permeabilidad

• C = coeficiente de forma de la cavidad

• Q = caudal medido, cm3/seg.

• n.a.f. = nivel napa agua freática

• L = profundidad de la cabidad, m.

• D = diámetro de la camisa, m

• H = altura entre el borde de la camisa y el n.a.f, m.


DLL

C2

ln

2


0,65 m.

14,6

5 m

.

0,38 m = L

15,8

2 m

.

15,2

9 m

.

n.a.f.

D = 0,1016 m.

Nivel de Terreno

.65,118

16,10382

ln

.3822

ln

2cm

cm

DLL

C

seg

cm

cmcm

segcmk 5

3

105,6.1529.65,118

./8,11


seg

cmkdadpermeabilideeCoeficient 5105,6:

POZOS DE BOMBEO

Espacio propuesto para construir

Pozo de prueba con revestimiento perforado

Piezómetros- Pozos de observación

P

P

PP

P

P

P

P

P

P

P

P

•Pozos de observación

o Pozo de bombeo

Zona a construir

POZOS DE BOMBEO. ACUÍFERO LIBRE

POZOS DE BOMBEO. ACUÍFERO LIBRE

bomba→ Q

r∂

h=

rr

h∂=

L

h=i

12

∂

hr2rh

kQ

eh variablcon h,r2A

1

221

22

rrln

)h(hQ k

hhkrr

Qh

h

r

r

∂ 2∂ ∫∫2

1

2

1

POZOS DE BOMBEO. ACUÍFERO CONFINADO

12

12 rrln

M)h(h2Q k

COEFICIENTE DE PERMEABILIDADEN

MASAS ESTRATIFICADAS

kI horizontal

kII vertical

kI HORIZONTAL

h: cargahidráulica cte

k1

k2

k3

k4

k5

k6

k

H1

H2

H3

H4

H5

H6

H

L

cteLhi

m1HLh

kAikq iiiiii

AikqQn

1ii

HLh

kHLh

kQn

1iii

∑

H

Hkk

n

1iii∑

kII VERTICAL

ctevelocidad

∑n

1i i

i

kH

Hk

k1

k2

k3

k4

k5

k6

H1

H2

H3

H4

H5

H6

H

L

k

GRADIENTE HIDRAULICO CRITICO

piedras porosas

suelo

p u p’= +

wH1 sat H

wH1+satH w(H1+H) ’ H

z

H

H1

IGUAL NIVEL


CIRCULACIÓN HACIA ARRIBA

piedras porosas

suelo

p u p’= +

w H1 sa tH

wH1+sat H w (H1+H) ’ H

-∆p’

∆u

z

∆h

H

H1

ziHihu www

GRADIENTE HIDRAULICO CRITICOCIRCULACIÓN HACIA ARRIBA

piedras porosas

suelo

p u p’= +

w H1 sa t H


-∆p’∆u

z

∆h

H

H1

ziHihu www L

h=i

z=H=L ziHiLih

'p=u ziz''pz''p w


CIRCULACIÓN HACIA ARRIBA

piedras porosas

suelo

p u p’= +

w H1 sa tH


-∆p’∆u

z

h

H

H1

0ziz''p w

ziz' w w

c'

i


CIRCULACIÓN HACIA ABAJO

piedras porosas

suelo

p u p’= +

w H1 sat H

w H1+satH w (H1+H) ’ H

∆p’-∆u

z

h

H

H1

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