ENSAYO DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEON

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFacultad de IngenieraEscuela Acadmico Profesional de Ingeniera Geolgica

GEOTECNIA I

PROFESOR:ING. MORALES CESPEDES WILVER

ALUMNO:UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFACULTAD DE INGENIERAESCUELA ACADMICA PROFESIONAL DE INGENIERA GEOLGICA

INTRODUCCIN

El concepto permeabilidad en Mecnica de Suelos Geotecnia, se define como la mayor o menor facilidad con que el agua fluye a travs del suelo o roca. La permeabilidad se puede determinar directamente en el campo o bien en el laboratorio utilizando muestras alteradas o inalteradas. Los procedimientos empleados en laboratorio para determinar el coeficiente de permeabilidad pueden dividirse en directos e indirectos. Por otro lado las pruebas de permeabilidad en campo son tiles cuando es casi imposible obtener especmenes inalterados por ejemplo en estratos de arena y grava. El tipo de prueba de permeabilidad til en cada caso particular depende de numerosos factores, tales como tipo de material, localizacin del nivel fretico y homogeneidad o heterogeneidad de los distintos estratos del suelo. Las pruebas de permeabilidad de laboratorio son tiles cuando la estructura que se forma est formada por un material que puede considerarse homogneo, istropo, o anistropo, como en el caso del corazn impermeable de una cortina, construido con la tierra de un banco de prstamo homogneo. En cambio, en las formaciones naturales, generalmente compuestas por mantos distintos, con variaciones importantes tanto en la disposicin de los mismos como en las caractersticas de los materiales, es difcil estudiar el escurrimiento a partir de un nmero limitado de ensayes sobre muestras inalteradas. En mantos de arena y grava es casi imposible obtener especmenes inalterados. En estos casos es necesario recurrir a las pruebas de campo.

OBJETIVOS:

Conocer el procedimiento del ensayo de permeabilidad tipo Lugeon. Saber y conocer la funcin de cada equipo que se emplea en este ensayo. Interpretar la permeabilidad de la roca de acuerdo al ensayo Lugeon. Saber a cuanto equivale una unidad Lugeon.

EQUIPOI. OBTURADORES INFLABLESLa aplicacin habitual de los obturadores es la realizacin de ensayos de permeabilidad (LUGEON) en los sondeos geotcnicos. Los dos mtodos principales son ensayos durante la ejecucin del sondeo con obturador simple y ensayos a sondeo terminado con obturador doble y varillas de extensin entre los dos obturadores. II. OBTURADORES SIMPLES Y DOBLES

Los componentes bsicos del obturador son: El termino superior fijo FE constituido de uno o dos orificios de inflado. El tubo central CP, de acero inoxidable. La goma dilatable S, montada con terminales metlicos El termino inferior deslizante SE, montado con dos juntas de estanqueidad y hasta el 102mm, con un anillo roscador. Los obturadores simples del dimetro 28mm 102mm son fcilmente transformables en obturadores dobles mediante la colocacin de un elemento especfico: el modulo central CE. Se desmonta del obturador el termino deslizante SE y se coloca en su lugar el modulo central CE. A continuacin, se queda para montar un elemento dilatable estndar S con un tapn PL.El ensamblaje en doble est as realizado. El modulo del dimetro 56 a 102mm se compone principalmente de un tubo perforado del mismo dimetro exterior que el conjunto del obturador. Este diseo da al conjunto del obturador doble robustez y un dimetro constante particularmente bien adaptado a las inyecciones en micro pilotes y a las pruebas hidrogeolgicas de permeabilidad y de presin.

OBTURADOR DOBLEOBTURADOR SIMPLE

SISTEMA PACKER WIRELINEEl Sistema de Wireline Packer es un mtodo de ahorro de tiempo para la realizacin de las pruebas de permeabilidad durante la perforacin de ncleo.La prueba se lleva a cabo con la sarta de perforacin en el lugar, la reduccin del tiempo necesario para probar en formaciones abiertas o inestables. Disponible para todas las marcas de barriles centrales almbricos (N, H y P), los envasadores de telefona fija se pueden reparar fcilmente en el campo en cuestin de minutos Los empacadores cable incorpora un parachoques que descansa en el interior de la garganta de la broca.Esto posiciona tanto los envasadores y protege la broca. Una tapa de compresin'' T'' en la Asamblea Tee Seal previene la prdida de presin alrededor del cable compuesto durante la prueba.El cable compuesto en s se compone de un tubo de presin de nylon de alta para la inflacin y un cable para bajar y recuperar el empacador Wireline.LA REALIZACIN DE UNA PRUEBA DE PERMEABILIDAD Retire el conjunto del tubo interno. Levante las barras de perforacin de fondo, dejando la zona deseada de prueba. Instale el sello de montaje en la parte superior de la camiseta de las barras de perforacin. Baje asamblea envasador cable. Apriete la tapa de compresin. Conectar el cable de material compuesto a la fuente de fluido comprimido. Inflar envasador cable. Inyectar agua a travs de las barras de montaje del sello tee fija y envasador en la zona de prueba. Realice la prueba de permeabilidad. Desinfle envasador cable. Retire envasador y conjunto del sello tee. Vuelva a insertar montaje del tubo interno. Bajar sarta de perforacin y reanudar perforacin.

III. MANMETROEl manmetro es un instrumento utilizado para la medicin de la presin en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presin entre el fluido y la presin local. En la mecnica la presin se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un lquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presin suele medirse en atmsferas (atm); en el sistema internacional de unidades (SI), la presin se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmsfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barmetro convencional. Cuando los manmetros deben indicar fluctuaciones rpidas de presin se suelen utilizar sensores piezoelctricos o electrostticos que proporcionan una respuesta instantnea. Hay que tener en cuenta que la mayora de los manmetros miden la diferencia entre la presin del fluido y la presin atmosfrica local, entonces hay que sumar sta ltima al valor indicado por el manmetro para hallar la presin absoluta. Cuando se obtiene una medida negativa en el manmetro es debida a un vaco parcial.MANOMETRO

IV. CAUDALMETROUn caudalmetro es un instrumento de medida para la medicin de caudal o gasto volumtrico de un fluido o para la medicin del gasto msico. Estos aparatos suelen colocarse en lnea con la tubera que transporta el fluido. Tambin suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujmetros.CAUDALMETRO

V. PROCESO DEL ENSAYOLa prueba consiste en la inyeccin de agua a presin, en tramos aislados del sondaje, se ejecut pruebas en 5.0 m de tramo de bulbo o hasta de 2.20 metros mnimo.Para la ejecucin de las pruebas se ha empleado obturador (Packer) del tipo wire lineLa presin que se usa en la etapa de saturacin del terreno es la mnima, se recomend 0.15 Kg/cm2 por metro de profundidad calculado al punto medio del bulbo de ensayo para la presin mxima y presiones de y de la presin mxima para las presiones intermedias y mnimas, obtenindose los caudales promedios por un periodo de 10 minutos en cada estadio de presin; la unidad de presin empleada es Kg/cm2. Los factores condicionantes y que fueron tomados en cuenta durante la ejecucin de los ensayos Lugen para la determinacin de las presiones y tramo son:

Profundidad del tramo de ensayo. Grado de fractura miento del macizo rocoso. Porcentaje de recuperacin de testigos. Caractersticas fsico mecnicas de la roca. Caractersticas de las fracturas. Condiciones para la obturacin del tramo de ensayo.

Por lo general la prueba fue realizada en tramos de 5.00 metros, longitud que se adaptaba correctamente a la naturaleza del macizo rocoso, y como se indic anteriormente fue definido de acuerdo a la evaluacin de las muestras extradas. La prctica usual para la ejecucin del ensayo Lugen, es someter el macizo rocoso a presiones mximas de prueba y que estas se encuentren por debajo de la presin de la carga litosttica que en teora soporta el tramo de ensayo, evitando de esta manera provocar alteraciones en el macizo rocoso. La carga de la columna litosttica es el resultado del producto de su peso especfico por la profundidad perforada. Para roca sana y fresca hemos considerado 2.50 gr/cc, mientras que para roca alterada 1.50 gr/cc, emplendose para el clculo de la presin mxima de ensayo el coeficiente 0.15 Kg/cm2 para roca de buena calidad.

La secuencia de presiones de inyeccin de agua se ha establecido de la siguiente manera: Presin mnima, intermedia, mxima, intermedia y mnima. En los ensayos realizados por debajo de los 50.00 metros la mxima presin (manomtrica) de la prueba fue de 8 Kg/cm2, en ningn caso esta presin fue sobrepasada segn la norma planteada por M. Lugen (1933). El consumo o absorcin durante la inyeccin de agua, fue obtenido por lectura directa inmediatamente despus de haberse alcanzado la estabilizacin de la presin y caudal correspondiente, durante un tiempo de 10 minutos y as sucesivamente para todo el tramo de la prueba.

Durante la ejecucin de las pruebas se tuvo especial cuidado con la condicin y calidad del agua, consiguindose que esta sea transportada desde lugares de aporte de aguas subterrneas ubicados en las cercanas de los puntos de perforacin, verificndose que est siempre que sea limpia, sin restos orgnicos ni elementos slidos en suspensin.

Los ensayos han merecido mucha atencin durante su ejecucin, por lo que se ha procedido de acuerdo con las normas Standard aplicadas para tal fin. Alcanzada la profundidad programada para el ensayo, se procedi a lavar el sondeo.

La medicin del nivel fretico realizado antes de cada prueba fue referencial, en vista que el agua de perforacin estancada en el taladro induca a error. Para efectos del clculo y por deduccin hidrogeolgica la prueba fue calculada con nivel fretico no alcanzado, es decir empleando la carga hidrulica en el punto medio del ensayo.

Luego de proceder a la inspeccin de los testigos, fue definido el tramo de ensayo y de obturacin, tenindose en cuenta el porcentaje de recuperacin de la muestra, el grado de fracturamiento y RQD de la roca, se procedi a la colocacin del Packer (obturador) para confinar el tramo de ensayo.

Una vez instalado el equipo de prueba, se inici el bombeo de agua al tramo de ensayo, controlando en el manmetro la estabilizacin de la aguja en la presin mnima pre-establecida. Conseguida la estabilizacin, se midi el consumo para cada intervalo de unidad de tiempo (un minuto), obtenindose de la diferencia de lecturas en el hidrmetro un caudal en l/min, el promedio de estos son para fines de clculo.

Terminado el primer estadio (presin mnima), se continuo con el mismo procedimiento para las presiones media, mxima, media y mnima respectivamente.

VI. CALCULO DE ABSORCIONES Y PRESIONES DE ENSAYO

Con los caudales obtenidos para cada uno de los estadios de presin, se procede a efectuar los clculos de absorcin por metro de tramo de ensayo, dividiendo el caudal entre la longitud del tramo de ensayo (Q =lt / min / m).

1) PRESIN EFECTIVA (PE)

Corresponde a la presin que acta en el tramo de ensayo y se define como el resultado de la suma algebraica de las presiones actuantes en la prueba: presin manomtrica (PM), Carga Hidrulica (CH), perdida de presin o perdida de carga (PC).

PE = PM + CH + PC

2) PRESIN MANOMTRICA (PM)

Es la Presin que acta en el punto de registro (manmetro), y su valor se obtiene directamente de la lectura en este instrumento.

3) CARGA HIDRULICA (CH)

Es la presin hidrosttica producida por la columna de agua dentro de la perforacin, cuando no se alcanz el nivel fretico se consider la distancia entre el manmetro y la mitad del tramo de ensayo (bulbo de ensayo), cuando se alcanz el nivel fretico se consider la columna de agua comprendida entre el manmetro y el nivel fretico.

4) PRDIDAS DE CARGA (PC)

En un sistema de conduccin como el que se utiliz: tubera de perforacin HQ, las prdidas de carga son despreciables, no han sido consideradas para efectos de clculo, ya que por el dimetro empleado y por tratarse de tuberas nuevas, las prdidas de energa por friccin son mnimos.

VII. GRAFICA DE LOS RESULTADOS Los valores de absorcin y presin efectiva son graficados en un sistema cartesiano (ver al pie de cada registro de prueba). El tipo de curva resulta ser importante para la interpretacin del tipo de flujo y prospectos fsicos que se producen en las fracturas durante el ensayo.

VIII. INTERPRETACIN DE LAS CURVAS DE ABSORCIN PRESIN EFECTIVA

La grafica de Absorcin-Presin Efectiva de un ensayo Lugen, puede estar asociada, en general, con cualquiera de los cinco casos siguientes:

i) FLUJO LAMINAR Los valores de absorcin y presin efectiva guardan relacin lineal. Es decir, que la absorcin es proporcional a la presin efectiva. Este hecho se debe a que las fracturas son finas y se entiende que el relleno es granular y, consecuentemente, el consumo por fractura es aproximadamente igual. Normalmente est asociado a valores Lugen menores que 3 U.L. (valor Lugen representativo). ii) FLUJO TURBULENTO La Absorcin correspondiente a la presin mxima es relativamente menor que la de las presiones intermedias y mnimas, y responde a que las fracturas son de diferente grosor. Generalmente est asociado a valores Lugen mayores que 4 U.L. iii) DILATACIN En este caso, cuando la roca es sometida a la presin mxima, hay una dilatacin temporal de la abertura o se comprime momentneamente el relleno por efecto de la presin de agua, entonces, la absorcin para este estadio es sensiblemente mayor que en los otros, es un pronstico reversible y la abertura se comporta de forma elstica.

iv) EROSIN El material fino de relleno de las fracturas es lavada por el agua de ensayo incrementndose el volumen til de poros o de fisuras en el tramo de macizo rocoso ensayado, por ello, la absorcin se incrementa relativamente con el tiempo. En este caso la curva absorcin Presin Efectiva se ensancha y las flechas apuntarn en sentido horario. v) RELLENO Por efecto de la sedimentacin de los finos que pudiera transportar el agua del ensayo o bien del mismo material erosionado y re depositado del relleno de fractura, las aberturas se cierran o taponan a medida que transcurre el ensayo; la absorcin consecuentemente decrecer en funcin del tiempo. Tambin en este caso la curva absorcin presin efectiva se ensancha, pero las flechas apuntaran en sentido anti horario, otro factor atribuido se debe a la resistencia capilar de penetracin del agua en fracturas finas.

IX. DETERMINACIN DEL VALOR LUGEN REPRESENTATIVO U.L.

Segn la experiencia de muchos autores, entre ellos Houlsby (1976), no siempre resulta representativo el valor Lugen correspondiente a la mayor presin efectiva aplicada. Por el contrario, los valores obtenidos a partir de las presiones medias y bajas seran los ms representativos.

El criterio de Houlsby considera tambin la extrapolacin de las absorciones de cada uno de los estadios de presin a 10 Kg/cm2. Tras esta uniformizacin, se elabora un diagrama de barras que permite comparar los valores Lugen extrapolados (ver registros de prueba). Los valores en unidades Lugen fueron transformados a permeabilidad en cm/seg empleando la relacin: 1.0 U.L. = 1.3 E-05 cm/seg (C.A. Houlsby 1976) Es importante resaltar que el coeficiente de permeabilidad de la roca se encuentra directamente relacionado con el grado de fracturamiento, el estado y caractersticas de las discontinuidades.

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