YULIANA VANESSA GONZÁLEZ JARAMILLO C.C.1.038.410.488CARLOS EDUARDO MENESES AVILES C.C.1.083.906.822UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA – SEDE MEDELLÌNMecánica de suelos y rocas.

Taller de laboratorio. ENSAYO DE PERMEABILIDAD SEGÚN NORMA ASTM D 2434 – 68.

Profesor JAIME MERCADO.

- INTRODUCCIÓN

La permeabilidad del suelo se define como la facilidad con que el agua puede fluir a través de los vacíos continuos del mismo, conocer esta característica es fundamental para entender el comportamiento del agua en el suelo y determinar propiedades y usos en las obras civiles; la permeabilidad se mide a través de un coeficiente de permeabilidad k (en unidades de velocidad).

En el laboratorio se utilizan los siguientes materiales: • Cronómetro• Agua• Permeámetro de carga variable• Permeámetro de carga constante• Embudo• Probeta

A partir de tres principios fundamentales se da la coherencia física e hidrodinámica del ensayo a realizar, estos principios se enuncian a continuación:

Teorema de Bernoulli. La energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión; este teorema se puede aplicar para los caudalímetros de orificio, también llamados venturi, que miden la diferencia de presión entre el fluido a baja velocidad que pasa por un tubo de entrada y el fluido a alta velocidad que pasa por un orificio de menor diámetro, con lo que se determina la velocidad de flujo, y por ende el caudal.

Ley de continuidad del Fluido. El flujo de un fluido en movimiento es el mismo en dos puntos diferentes del camino recorrido por el fluido; si el

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fluido es un líquido no viscoso e incompresible, su densidad permanece constante durante el flujo, por lo que la ecuación de continuidad del flujo se reduce a la ecuación de continuidad del caudal del líquido.

Donde S es el área y V la velocidad del flujo.

Ley de Darcy. A partir de un experimento en el que en un permeámetro se hace circular agua por un extremo y por el otro regular el caudal de salida por medio de un grifo manteniendo el caudal constante y midiendo la altura de agua en varios puntos, Darcy encuentra que el caudal que atravesaba el permeámetro era linealmente proporcional a la sección y al gradiente hidráulico [3].Esta ley es sólo aplicable cuando ocurre flujo de tipo laminar, En general de la Ley de Darcy quedan excluidos los cascajos gruesos limpios.

- OBSERVACIÓN

- ANÁLISIS DE RESULTADOS

Se obtuvieron resultados de permeabilidad coherentes para los tipos de suelos basado en sus características de tamaños lo cual nos relaciona suelos de mayor tamaño como altas permeabilidades y esta decrece a medida que el tamaño de las partículas del suelo también lo hacen.

Existen tablas de clasificación y de características del el suelo basado en el valor de la permeabilidad, se presentan esta, en donde basado en el valor de permeabilidad de las 2 muestras de suelo ambas se clasifican con “arena limpias y mezclas limpias de arenas cascajos” o GP y SP, basado en la observación del suelo donde las partículas eran mal gradadas.

Figura 3. Tabla de permeabilidad intersticial para algunos tipos de suelos.pág. 2

Adicionalmente utilizando el valor de K se determina el grado de permeabilidad de los suelos, siendo la muestra de arena y la muestra de grava, suelos con un grado de permeabilidad medio.

Figura 4. Valor de permeabilidad.

- APENDICES

Ensayo de Cabeza Constante.Este ensayo se realizó en un suelo grueso granular de partículas tamaño grava, se hizo pasar agua a través de él y se tomaron medidas de volumen, tiempo, longitud de la muestra, diámetro de la muestra y cabeza hidráulica, con todas estas se determinó la permeabilidad de la capa de suelo; los datos, cálculos y resultados se presentan en la Tabla 1.

H (cm) 100L (cm) 14,34Diametro (cm) 7,60Area (cm2) 45,40

Volumen (cm3) T1 T2 T3 T4 T5 T6 Prom (s) K (cm/s) K prom (cm/s)200 10,34 10,05 10,13 10,12 10,09 9,97 10,12 0,062460300 15,29 15,24 15,19 - - - 15,24 0,062194400 20,44 20,55 20,38 - - - 20,46 0,061778

0,062144

Tabla 1. Datos y cálculos de ensayo de Cabeza Constante.

Para determinar la permeabilidad del suelo, se utilizaron las siguientes ecuaciones derivadas de los principios de Darcy, de Continuidad y Bernoulli.

(1 )Q=V∗A=K∗i∗A

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(2 ) K= Qi∗A

= Vt∗∆HL

∗A= V∗Lt∗∆H∗A

(2) es la ecuación de permeabilidad para el ensayo de cabeza constate a partir de esta se determinó un valor de permeabilidad 0,0621 cm/s para esta muestra de suelo.

Ensayo de Cabeza Variable.EL ensayo se realizó en un suelo grueso granular de partículas tamaño arena, se hizo pasar agua a través de él y se tomaron medidas de volumen, tiempo, longitud de la muestra, diámetro de la muestra, diámetro de la bureta y diferencias de cabezas hidráulicas, con todas estas se determinó la permeabilidad de la capa de suelo; los datos, cálculos y resultados se presentan en la Tabla 2.

L (cm) 7,87D (cm) 6,34A (cm) 31,57d (cm) 0,64a (cm) 0,32

H0 (cm) H1 (cm) T1 T2 T3 T4 T5 T6 Prom (s) K (cm/s) K prom (cm/s)90 50 1,53 1,59 1,73 1,68 1,79 - 1,66 0,0285190 40 2,45 2,56 2,54 2,47 2,41 2,44 2,48 0,0264190 30 3,32 3,38 3,36 - - - 3,35 0,02644

0,027116

Tabla 2. Datos y cálculos de ensayo de Cabeza Variable.

Para determinar la permeabilidad del suelo, se utilizaron las siguientes ecuaciones derivadas de los principios de Darcy, de Continuidad y Bernoulli.

(3 )Q=−a∗∂h∂ t

=K∗i∗A=Q(1)

Igualamos los caudales (1) y (3) y obtenemos una ecuación diferencial separable, se resuelve y se obtiene la ecuación de permeabilidad K para el ensayo de cabeza variable.

(4 ) K= L∗a∆ t∗A

∗lnh0h1

A partir de (4) se determinó el valor de permeabilidad del suelo como 0,0271 cm/s para la muestra de suelo.

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- CONCLUSIONES.

• El valor de permeabilidad de la muestra de grava es mayor al de la muestra de arena lo cual es coherente con su distribución y distribución de partículas.

• Basado en los valores de permeabilidad y en la observación física de las muestras de suelo, se encontró que corresponde a Grava mal gradad (GP) y Arena mal gradada (SP).

• Aunque se determinó una diferencia visual entre los tipos de suelo, Grava y Arena, estos se podrían clasificar conjuntamente basado en el comportamiento del flujo del agua a través de estos según Casagrande, ya que presentan valores de K cercanos.

• Los dos tipos de suelos que se utilizaron para el ensayo presenta un grado de permeabilidad media.

• Cada ensayo se aplica en un suelo característico ya que de esta manera se realiza más ágil de mejor presión, así las gravas y arenas gruesa se usa el ensayo de cabeza constante y las arenas medias y finas de cabeza variable.

• Los ensayos de permeabilidad de cabeza constante y cabeza variable se realizan comúnmente en suelo grueso granulares como arenas y gravas, ya que estos presentan más cantidad de espacios vacíos y no se deforma con la presión de cabeza hidráulica, haciendo el ensayo fácil y rápido; en suelos fino granulares se utilizan otros ensayos para determinar su permeabilidad.

• Conocer y determinar las características y comportamiento del flujo del agua en el suelo es primordial para determinar el uso y/o intervenciones que se le deben realizar a los suelos para su adecuado uso en la ingeniería.

- REFERENCIAS.

Teorema de Bernoulli. [En línea]. Disponible en: http://rabfis15.uco.es/MecFluidos/Programa/Untitled-19.htm

Capítulo tres. Dinámica de Fluidos, Ley de Continuidad de Flujos. [En línea]. Disponible en: http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Mayo_2011/IF_CABRERA_FIQ/CAP.%203.PDF

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Instituto Nacional de Vías (INVIAS), I.N.V.E.-130, PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES (CABEZA CONSTANTE).

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