Ensayo de Permeabilidad

UNSAAC - FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

ENSAYO DE PERMEABILIDAD

I. GENERALIDADES

Objetivos:Determinar el valor del coeficiente de permeabilidad k de un suelo.Definición:Permeabilidad de un suelo es la capacidad del mismo para permitir el flujo de un fluido, líquido o gas, a través suyo. En el campo de la Geotecnia se estudia el flujo de agua.Principio del ensayo:Los suelos están formados por partículas minerales sólidas que dejan vacíos entre ellas. Estos vacíos están interconectados y permiten el flujo de agua a través de ellos. Esto convierte a los suelos en materiales permeables al agua. El grado de permeabilidad es determinado aplicando a una muestra saturada de suelo una diferencia de presión hidráulica. El coeficiente de permeabilidad es expresado en términos de velocidad. Este fenómeno es gobernado por las mismas leyes físicas en todos los tipos de suelos y la diferencia en el coeficiente de permeabilidad en tipos de suelos extremos es solo una cuestión de magnitud.

Métodos:Métodos directos: su principal objetivo es la determinación del coeficiente de permeabilidad.Pueden dividirse en:

a) Ensayos de laboratorio: Permeámetro de carga constante: para suelos de alta permeabilidad, como

arenas y gravas. Permeámetro de carga variable: para suelos de mediana permeabilidad a baja

permeabilidad, como limos y arcillas.

b) Ensayos de campo.Métodos indirectos: tienen como finalidad principal la determinación de algún otro parámetro o propiedad del suelo y se los utiliza cuando es imposible aplicar algún método directo o como verificación. Hallan el valor del coeficiente de permeabilidad a partir de la curva granulométrica, del ensayo de consolidación, de la prueba horizontal de capilaridad y otros.

II. EQUIPO NECESARIO

Partes del aparato:El aparato para el ensayo de permeabilidad con carga constante consta básicamente de:

Permeámetro de carga constante Depósito de agua. Probeta Cronómetro. Molde y fijador de molde Piedra porosa Capsula Pipeta

MECANICA DE SUELOS I


Probeta Collarin Compactador Tamper


COMPACTADOR TAMPER, se realizo el llenado en 3 capas de suelo cada capa a 25 golpes.

PERMEAMETRO, este aparato nos permite determinar el tiempo en el cual el agua penetra por los poros del suelo.


TAMIZ # 4 Y PROBETA GRADUADA

III. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO EN PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE

Se deben seguir los siguientes pasos considerando un permeámetro tipo: Preparar el aparato con los elementos arriba mencionados. Preparación del permeámetro: Se debe verificar que la celda esté limpia y seca

y determinar su peso, diámetro y altura. Preparación de la muestra: En todos los casos la muestra debe calzar

perfectamente en el permeámetro sin dejar cavidades en su perímetro. muestra y determinar la humedad.

Se colocará una piedra porosa en la base de la muestra y otra en contacto con su cara superior.

Saturación de la muestra: Haciendo vacío saturar la muestra el tiempo que sea necesario

Aplicar una succión baja hasta verificar la saturación y la ausencia total de burbujas de aire en la muestra

Permitir el paso de agua, abriendo la llave correspondiente, verificando que no quede aire entrampado en las conexiones con cada uno de los tubos.

Realización del ensayo propiamente dicho: Permitir el paso del agua a través de la muestra.

Cuando el caudal sea uniforme, iniciar la recolección de agua en el depósito graduado. Cronometrar el tiempo de ensayo.



PREPARANDO LA MUESTRA DE SUELO 1

SATURANDO LA MUESTRA



IV. CÁLCULOSSe tomo en cuenta la siguiente relación para el cálculo del coeficiente de permeabilidad

Donde :

V : volumen de agua recolectada

L: longitud de la muestra

A: Area de la sección transversal de la muestra

∆ H =altura de carga de la muestra

MEDIDAS DEL PERMEAMETRO A UTILIZAR(cm)

Altura de Muestra 17.7Diametro de Muestra

6.4

Altura de Carga 7

DATOS OBTENIDOS DURANTE EL ENSAYO

EXPERIMENTO Nro

volumen (cm3) tiempo (seg)

1 25 252 26 253 24 23

VOLUMEN PROMEDIO (cm3) = 25 Area=π∗D2

4

Area=π∗72

4=38.465 cm2

TIEMPO PROMEDIO (seg) = 24.33


K= V∗LA∗¿∆ H


K= 25 cm3∗17.7 cm38.465 cm2∗24.33 seg∗7 cm

COEFICIENTES DE PERMEABILIDAD

1. GENERALIDADES :

PERMEABILIDAD DEL SUELO:

Es la facilidad con que se mueve un fluido a través de

cualquier medio poroso, es una propiedad de ingeniería

denominada permeabilidad.


K=0.0675cmseg


En ingeniería geotécnica el fluido es el agua

y el medio poroso es la masa de suelo.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA PERMEABILIDAD DE LOS

SUELOS:

La permeabilidad se ve afectado por diferentes factores inherentes tanto al suelo como

características del agua circulante teniendo los principales factores los siguientes:

- La relación de vacíos del suelo.

- La temperatura del agua.

- La estructura y estratificación del suelo.

- La existencia de agujeros, fisuras, etc.; encontrados en el

suelo.

LEY DE DARCY:

Los poros del suelo que se encuentran por debajo del nivel

freático, se encuentran completamente llenos de agua y se

considera que cualquier movimiento del agua a través del suelo

sigue la ley de Darcy.

La ley de Darcy permite determinar el coeficiente de

permeabilidad de un suelo dado, midiendo la velocidad de

corriente de agua. Encontrando Darcy la siguiente relación:

v = K x i



Donde: K = Coeficiente de permeabilidad.

i = Gradiente Hidráulica.

v = Velocidad de la corriente de agua en el suelo.

Siendo el caudal:

Q = V x A = K x i x A

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD (K):

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; estos

son:

1. Método de cabeza constante.

2. Método de cabeza variable.



1. Método de cabeza constante :

Calculándose el coeficiente de permeabilidad por la siguiente

expresión:

K= V×LA×h×t

Donde: K = Coeficiente de permeabilidad.

V = Volumen de descarga.



L = Longitud de la muestra.

h = Altura entre espejos de agua.

t = Tiempo del ensayo (tiempo que se tardo en

obtener el volumen de descarga).

Objetivo:

El objetivo de este método es obtener el coeficiente de

permeabilidad de un suelo granular.

Materiales:

- Aparato de permeabilidad (cabeza constante).

- Cronómetro.

- Termómetro.

- Cilindro graduado.

Procedimiento:

1. Pesar el recipiente de material (granular) que será

utilizado en el experimento.

2. Armar el aparato de permeabilidad asta donde se

necesite.



3. Cada grupo debe de realizar un experimento a diferente

densidad de los demás. Esto se consigue colocando el

suelo suelto, sometiéndole a un tipo de vibración o

introduciéndole 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/m3 entre todos los grupos.

Si se utiliza el permeametro patrón de compactación se

recomienda los pasos 4 a 6 en orden.

4. Colocar un disco de papel de filtro sobre la parte superior

de la arena, enrasar cuidadosamente material en el

molde, colocar un empaque de caucho sobre el molde.

La tapa debe tener una pieza plástica transparente a la

cual se debe ajustar la entrada de la tubería de agua

posteriormente. Conectar la válvula de salida un tramo

adecuadamente largo de tubería de caucho.

5. Colocar el permeametro en una cubeta llena de agua de

forma que la tapa quede sumergida por lo menos 5 cm

debajo del nivel de agua. Asegurarse de que la válvula

de salida del permeametro este abierta, de manera que

el agua pueda entrar a través de la muestra para

saturarla con una cantidad mínima de aire atrapado.

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

permeametro 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 ala muestra, abriéndolo

la válvula de entrada al permeametro y

simultáneamente abriendo la válvula de drenaje que

existe en la tapa superior del permeametro. Una ves que

se haya 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 permeametro plástico de Bowles como

se muestra en la figura.

4(a). Armar el aparato. Orientar las tuberías de entrada y

salida convenientemente para la recolección de agua y

la saturación de 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 del flujo permitiendo que fluya por un tiempo a

continuación serrar la válvula de entrada y salida y

regresar al paso Nº 8.

8. Utilizar un recipiente 500 ó 1000 ml (mayor si es posible)

para recibir el agua a la salida del permeametro.

9. Registrar todos los datos del experimento y calcular el

respectivo coeficiente de permeabilidad.



2. Método de cabeza variable :

Calculándose el coeficiente de permeabilidad por la siguiente

expresión:

K=2.302a×LA×t

log(h1

h2

)

Donde: K = Coeficiente de permeabilidad (cm/seg).

a = Area de la sección transversal de la

bureta o tubería

de entrada, en cm2.

A = Area de la sección de la muestra del

suelo, en cm2.



h1=Cabeza hidráulica a través de la muestra

al

comienzo del experimento (t = 0).

h2= Cabeza hidráulica a través de la

muestra al final del

ensayo (t = tensayo).

L = Longitud de la muestra.

Objetivo:

El objetivo de este método es obtener el coeficiente de

permeabilidad de suelos finos (arenas finas, limos o

arcillas). El experimento puede también utilizarse para

suelos de grano grueso.

Materiales:

- Aparato de permeabilidad (cabeza variable).

- 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.

Procedimiento:



1. Preparar la muestra de suelos siguiendo el mismo procedimiento que del otro método.

2. Llenar la bureta hasta una altura conveniente para así

obtener h1.

3. Iniciar el flujo de agua y echar a andar simultáneamente

el cronometro. Dejar que el agua corra a través de la

muestra hasta que la bureta se encuentre casi vacía.

4. Simultáneamente parar el flujo y registrar el tiempo

transcurrido, anotar h2 así como la temperatura del

ensayo; teniendo todos estos datos se pasa a calcular el

coeficiente de permeabilidad.

VARIACION DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD POR

LA

TEMPERATURA:

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 del flujo aumenta.

El coeficiente de permeabilidad sé a normalizado a 20º

C, de forma que el coeficiente de permeabilidad a cualquier

temperatura T se puede expresar con respecto a K20, por

medio de la siguiente ecuación:



K20=K T

ηT

η20

Donde T y 20 son las viscosidades de los fluidos a la

temperatura T del ensayo y a 20º C respectivamente.

“COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD”

METODO DE LA CABEZA VARIABLE

A. INTRODUCCION:

Referencias: AASHTO T125-66 ASTM D2434-68

El coeficiente de permeabilidad de un suelo es un dato cuya determinación correcta es de fundamental importancia para la formación del criterio del proyectista en algunos problemas de Mecánica de Suelos y en muchos casos, para la elaboración de sus cálculos.

Hay varios procedimientos para la determinación de la permeabilidad de los suelos: unos "directos", así llamados porque se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de tal coeficiente; otros "indirectos", proporcionados, en forma secundaria, por pruebas y técnicas que primariamente persiguen otros fines. Estos métodos son los siguientes:



a) Directos:

1. Permeámetro de carga constante.

2. Permeámetro de carga variable.

3. Prueba directa de los suelos en el lugar.

b) Indirectos:

1. Calculo a partir de la curva granulométrica.

2. Calculo a partir de la prueba de consolidación.

3. Calculo con la prueba horizontal de capilaridad.

El método que estudiaremos a continuación es el de Permeámetro de carga constante el cual es el mas simple para determinar el coeficiente de permeabilidad, una muestra de suelo de área transversal A y longitud L, confinada en un tubo, se somete a una carga hidráulica H. El agua fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad que pasa en el tiempo T. Aplicando la ley de Darcy:

V = k A i T (V es la mencionada cantidad de agua)

El gradiente hidráulico medio vale:

i = H/L

Entonces: k = V L / H A T

B. OBJETIVOS DE LA PRUEBA:

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.

C. EQUIPO NECESARIO:

Aparato de permeabilidad

Cronometro

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).

D. PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA:

1) Preparar la muestra de suelo.

2) Llenar la bureta (o tubería de entrada) hasta una altura conveniente y medir la cabeza hidráulica a través de la muestra para obtener h1.

3) Iniciar el flujo de agua y echar a andar simultáneamente el cronometro. 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 transcurrido. Obtener la cabeza h2. 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 h1 y h2, 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 ultimo experimento obtener el Ensayó promedio como:

Qensayo = Qtotal / Nº de ensayos

A partir del cual se puede calcular fácil y bastante aproximadamente el valor de a. Este calculo no es necesario si se utiliza una bureta graduada.

5) Cada persona debe calcular el coeficiente de permeabilidad a la temperatura del ensayo, kt y a 20°C. Obtener correcciones para viscosidad del agua a partir de la Tablas.

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 utiliza h1 y h2 = constante para todos los diferentes ensayos, ya que el tiempo puede ser promediado en esas condiciones).


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