determinación del coeficiente de permeabilidad.

1.5.
DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD.
El ensayo determina el coeficiente de permeabilidad (K) de una muestra
de suelo granular o cohesiva, entendiendo por permeabilidad, la
propiedad de un suelo que permite el paso del agua a través de sus
vacíos, bajo la acción de una carga hidrostática. No todos los suelos
tienen la misma permeabilidad, de ahí que se los haya dividido en suelos
permeables e impermeables, estos últimos son generalmente suelos
arcillosos, donde la cantidad de escurrimiento del agua es pequeña y
lenta.
El grado de permeabilidad de un suelo, se mide por su coeficiente de
permeabilidad, el cual se basa en la ley propuesta por Darcy en el Siglo
XIX, la cual señala:
V
=
K * i
donde:
V =
velocidad de escurrimiento de un fluído a través del suelo
K
=
coeficiente de permeabilidad propio y característico
i
=
gradiente hidráulico, el cual representa la relación entre la
diferencia de niveles (H) y la distancia (L) que el agua recorre
Independiente de lo anterior, existen factores que influyen en la
permeabilidad de un suelo, como por ejemplo la viscosidad del fluído
(varía según la temperatura), el tamaño, continuidad de poros y grietas
a través de los cuales pasa el fluído o la presencia de discontinuidades.
En laboratorio, la medida del coeficiente de permeabilidad se realiza
por medio de permeámetros, los que pueden ser de nivel constante o
nivel variable dependiendo del tipo de suelo analizado. La importancia
de este coeficiente, es vital para poder determinar por ejemplo: la
capacidad de retención de aguas de presas o embalses de tierra, la
capacidad de las bombas para rebajar el nivel freático en una excavación
y para poder determinar la velocidad de asentamiento de una estructura
al escurrir el agua, entre otros.
1.5.1.
Método para suelos
ensayo de nivel de agua
granulares (arenas) y se
mantener el nivel de esta
granulares.
Este método se conoce como
constante, se aplica generalmente a suelos
consume una cantidad grande de agua para
en forma constante.
- Equipo necesario.
-
Aparato de permeabilidad, con conexiones y válvulas de paso
para poder saturar la muestra de ensaye (figura 1.19.).
Cilindro graduado.
Recipiente graduado de 500 a 1000 ml. de capacidad.
Herramientas y accesorios. Cronómetro, recipientes plásticos y
termómetro.
Figura 1.19. Permeámetro de nivel de agua constante.
Fuente: Bowles J., 1982.
-
Procedimiento. Se determina el peso y volumen del permeámetro a
utilizar.
Luego, se vacía la muestra en estado suelto dentro del
molde y se compacta, ya sea sometiéndola a algún tipo de vibración
o bien, mediante un pisón compactador. Del suelo restante, se
toman dos muestras representativas para determinar la humedad
(w).
Finalizada la compactación, se enrasa la superficie, se coloca un
disco de papel filtro sobre la muestra y luego un empaque de
caucho sobre el borde del molde para ajustar la tapa de este.
Se sumerge el permeámetro en un estanque con agua, por lo menos
5 cm. bajo el nivel de ésta, con las válvulas de entrada y salida de
agua abiertas de modo de poder saturar la muestra durante un
período de tiempo de 24 horas. Finalmente se cierran las válvulas
y se saca el permeámetro del estanque.
Retirado el permeámetro, se conecta el tubo de entrada de éste a
una tubería vertical conectada a su vez a un recipiente de nivel de
agua constante. Se desairean las líneas de entrada a la muestra,
abriendo simultáneamente las válvulas de entrada y drenaje
(salida), hasta remover todo el aire que pueda encontrarse atrapado.
A continuación, se cierran las válvulas y se mide la altura del nivel
de agua (H).
En la boca de salida del permeámetro, colocar el
recipiente graduado para recibir el agua escurrida.
Luego, abrir
simultáneamente las válvulas de entrada, salida y suministro de
agua junto con accionar el cronómetro.
Registrar el tiempo necesario (seg.) para almacenar entre 750 y 900
ml. de agua y medir la temperatura de ésta.
Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando como tiempo de
ensayo, el obtenido durante la primera medición.
- Cálculos.
-
Calcular el factor de corrección de temperatura
viscosidad del agua a Tº de 20º C, mediante
expresión:
fc
γt / γ20
=
donde
γt
γ20
γt / γ20
-
(fc) para la
la siguiente
:
= viscosidad del agua a Tº x
= viscosidad del agua a Tº de 20º C
= valor obtenido de la tabla de la figura 1.20.
Calcular el coeficiente de permeabilidad (K) deducido a partir de
la ley de Darcy, mediante la siguiente expresión:
K = q / ( i * A * t )
( cm/seg )
donde:
q = cantidad de agua escurrida en un tiempo t (cm3)
i = gradiente hidráulico (H/L)
A
= área de la sección de muestra ensayada (cm2)
t = tiempo de ensayo (seg.)
-
Calcular el coeficiente de permeabilidad a temperatura estándar
de 20º C (K20), mediante la siguiente expresión:
K20
-
=
K * fc
( cm/seg )
Si se conoce el valor de la gravedad específica del suelo
analizado, determinar la relación de vacíos (e) según la densidad
del suelo y calcular la velocidad aproximada de escurrimiento
del agua (Va), mediante la siguiente expresión:
Va
=
( ( 1 + e ) * V ) / e
( cm/seg )
º C
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
10
1,301
1 , 22 6 5
1,297
1 , 26 6 1
1,294
1 , 20 5 8
1,290
1 , 23 5 4
1,286
1 , 27 5 1
1,283
1 , 21 4 7
1,279
1 , 25 4 4
1,275
1 , 29 4 0
1,272
1 , 22 3 7
1,268
1 , 26 3 3
0
5
0
5
0
6
1
6
1
6
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
1,230
1 , 11 9 6
1,226
1 , 18 9 3
1,223
1 , 14 9 0
1,220
1 , 11 8 7
1,216
1 , 18 8 4
1,213
1 , 15 8 1
1,210
1 , 11 7 7
1,206
1 , 18 7 4
1,203
1 , 15 7 1
1,200
1 , 11 6 8
1 , 18 6 5
1 , 11 3 4
1 , 16 6 2
1 , 11 3 1
1 , 15 5 9
1 , 10 2 8
1 , 13 5 6
1 , 10 2 6
1 , 11 5 2
1 , 19 2 3
1 , 10 4 9
1 , 19 2 0
1 , 17 4 6
1 , 19 1 7
1 , 16 4 3
1 , 18 1 4
1 , 14 4 0
1 , 18 1 1
1 , 13 3 7
1 , 17 0 8
1 , 17 0 4
1 , 06 7 7
1 , 18 0 2
1 , 08 7 4
1 , 09 9 9
1 , 09 7 2
1 , 00 9 7
1 , 01 6 9
1 , 01 9 4
1 , 03 6 6
1 , 02 9 1
1 , 05 6 4
1 , 02 8 8
1 , 07 6 1
1 , 03 8 5
1 , 09 5 8
1 , 04 8 0
1 , 03 5 6
1 , 05 8 0
1 , 02 5 3
1 , 04 5 0
1 , 07 2 4
1 , 07 4 8
1 , 00 2 2
1 , 00 4 5
1 , 04 1 9
1 , 03 4 2
1 , 09 1 7
1 , 07 4 0
1 , 03 1 4
1 , 00 3 5
1 , 07 1 2
1 , 03 3 5
1 , 01 0 9
1 , 06 3 2
1 , 05 0 7
1 , 00 3 0
1 , 00 0 5
1 , 03 2 7
1 , 04 0 2
1 , 08 0 0
0 , 90 7 6
0 , 93 9 7
0 , 96 7 3
0 , 98 9 5
0 , 92 7 1
0 , 94 9 2
0 , 98 6 9
0 , 99 9 0
0 , 94 6 6
0 , 94 8 8
0 , 91 6 4
0 , 99 8 5
0 , 97 6 2
0 , 94 8 3
0 , 93 6 0
0 , 90 8 0
0 , 99 5 7
0 , 95 7 8
0 , 95 5 5
0 , 91 5 3
0 , 91 3 1
0 , 98 5 0
0 , 99 2 9
0 , 95 4 8
0 , 97 2 6
0 , 92 4 6
0 , 95 2 4
0 , 99 4 4
0 , 93 2 2
0 , 96 4 2
0 , 91 2 0
0 , 93 3 9
0 , 99 1 8
0 , 90 3 7
0 , 97 1 6
0 , 97 3 5
0 , 95 1 4
0 , 94 3 3
0 , 93 1 1
0 , 91 0 9
0 , 87 8 9
0 , 90 0 7
0 , 87 8 7
0 , 98 0 5
0 , 86 8 5
0 , 97 0 3
0 , 86 8 3
0 , 95 0 1
0 , 85 8 1
0 , 84 9 9
0 , 85 7 9
0 , 83 9 7
0 , 85 7 7
0 , 81 9 5
0 , 84 7 5
0 , 80 9 3
0 , 84 7 3
0 , 88 9 1
0 , 83 7 1
0 , 83 6 9
0 , 84 5 0
0 , 83 6 7
0 , 85 4 8
0 , 83 6 5
0 , 86 4 6
0 , 83 6 3
0 , 86 4 4
0 , 83 6 1
0 , 87 4 2
0 , 84 5 9
0 , 88 4 1
0 , 84 5 7
0 , 89 3 9
0 , 84 5 6
0 , 80 3 7
0 , 84 5 4
0 , 80 3 5
0 , 84 5 2
0 , 81 3 3
0 , 82 3 1
0 , 88 1 3
0 , 84 3 0
0 , 80 1 2
0 , 85 2 8
0 , 82 1 0
0 , 87 2 6
0 , 84 0 8
0 , 88 2 4
0 , 86 0 7
0 , 80 2 2
0 , 89 0 5
0 , 82 2 1
0 , 81 0 3
0 , 83 1 9
0 , 83 0 1
0 , 85 1 7
0 , 85 0 0
0 , 86 1 5
0 , 77 9 8
0 , 79 9 6
0 , 77 8 0
0 , 72 9 5
0 , 70 7 8
0 , 75 9 3
0 , 74 7 6
0 , 77 9 1
0 , 77 7 5
0 , 70 9 0
0 , 71 7 3
0 , 73 8 8
0 , 74 7 2
0 , 76 8 6
0 , 77 7 0
0 , 79 8 5
0 , 71 6 8
0 , 71 8 3
0 , 74 6 7
0 , 74 8 1
0 , 78 6 5
0 , 71 6 4
1
0 , 75 6 2
6
0 , 79 6 1
0
0 , 73 5 9
5
0 , 77 5 7
9
0 , 71 5 6
4
0 , 75 5 4
8
0 , 79 5 3
3
0 , 73 5 1
7
0 , 77 5 0
2
Figura 1.20. Tabla de densidad del agua según su temperatura.
Fuente: Bowles J., 1982.
1.5.2. Método para suelos finos. Este método se conoce como ensayo de
nivel de agua variable, se aplica generalmente a suelos fino arcilloso
o limo arcilloso.
El ensayo en sí es de larga duración, ya que
generalmente la cantidad de flujo que atraviesa la muestra es muy
pequeña.
-
Equipo necesario.
Idénticos a los del método anterior, más una
bureta graduada con soporte de modo que se mantenga en forma
vertical (figura 1.21.).
-
Procedimiento. Se prepara la muestra de la misma forma que para
el método anterior. Retirado el permeámetro del estanque, se
conecta el tubo de entrada a la bureta, se llena esta con agua y se
registra la altura inicial de carga de agua (h1).
Se abren simultáneamente las válvulas de entrada y salida junto con
accionar el cronómetro, para dar comienzo al escurrimiento del
flujo de agua, hasta que la bureta se encuentre casi vacía.
Finalmente, se cierran las válvulas y se registran el tiempo
transcurrido y la altura final de agua (h2).
Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando los mismos
valores de h1 y h2, teniendo la precaución de que el agua se
mantenga a una misma temperatura durante todas las mediciones.
Figura 1.21.
Permeámetro
agua variable.
Fuente:
1982.
de nivel de
Bowles
J.,
- Cálculos.
-
Calcular el factor de corrección de temperatura (fc) para la
viscosidad del agua a Tº de 20º C, igual que en el método
anterior.
-
Calcular el coeficiente
siguiente expresión:
K
=
de
permeabilidad
( a * L * Ln ( h1 / h2 ) ) / ( A * t )
donde:
a =
(K),
mediante
( cm/seg )
área de la sección transversal de la bureta (cm2)
la
L =
A
h1 =
h2 =
t =
Ln=
-
1.5.3.
altura de la muestra de suelo (cm.)
=
área de la sección de muestra ensayada (cm2)
altura de agua al comienzo del ensayo (cm.)
altura de agua finalizado el ensayo (cm.)
tiempo de ensayo (seg.)
logaritmo natural
Calcular el coeficiente de permeabilidad a temperatura estándar
de 20º C (K20) y la velocidad aproximada de escurrimiento del
agua (Va), de acuerdo a los cálculos del método anterior,
mediante las siguientes expresiones:
= K * fc
( cm/seg )
K20
Va
= ( ( 1 + e ) * V ) / e
( cm/seg )
Observaciones generales a los métodos descritos.
-
Se utiliza frecuentemente como permeámetro, el molde patrón de
compactación de 944 cm3, no obstante, la posibilidad de ocupar
otros aparatos como por ejemplo de tubería plástica que pueden
fabricarse en laboratorio y son relativamente baratos, también es
aceptada.
-
En vez de usar como filtros los discos circulares, como alternativa
se pueden utilizar piedras porosas o colocar una cama de arena
protegida con una fina malla de hule.
-
En ensayos de larga duración, es necesario controlar la evaporación
de agua del recipiente o de la tubería de entrada, por lo que se
recomienda realizar los ensayos dentro de un salón de temperatura
y humedad controlada.
-
Los resultados de laboratorio pueden no corresponder a los
verdaderos valores de terreno debido a la influencia de numerosos
factores, como por ejemplo que la estructura in situ es distinta a la
del ensayo, el gradiente hidráulico es mayor que el de terreno,
puede existir evaporación o haber filtraciones de agua en el equipo.
-
En la tabla de la figura 1.22. se indican algunos valores típicos de
permeabilidad de suelos según Terzaghi y Peck.
Permeabilidad relativa
Muy permeable
Valores de K ( cm/seg )
> 1 * 10
Suelo típico
-1
Grava gruesa
1 * 10
-1
a 1 * 10
-3
Poco permeable
1 * 10
-3
a 1 * 10
-5
Arena limosa, arena sucia
Muy poco permeable
1 * 10
-5
a 1 * 10
-7
Limo y arenisca fina
Moderadamente permeable
Impermeable
< 1 * 10
-7
Arena, arena fina
Arcilla
Figura 1.22. Tabla de valores relativos de permeabilidad.
Fuente: Terzaghi K. y Peck R., 1980.
-
En terreno existen varios métodos para determinar el coeficiente de
permeabilidad, entre los cuales se encuentran:
-
instrumentos eléctricos que aplican el fenómeno de la electroosmosis,
-
mediciones indirectas a través del ensayo de consolidación o
-
medición por introducción de un tubo de diámetro conocido en el
terreno (secuencia de ensayo en la figura 1.23.).
Figura
1.23.
Secuencia de una
medición in situ.
Fuente: ELE Internacional Ltda., 1993.
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO
ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD
Proyecto :
Ubicación :
Descripción del suelo :
Fecha de muestreo :
Fecha de ensayo :
Método nivel de agua constante
Datos de la muestra
Volumen ( cm3 ) :
Area ( cm2 ) :
Densidad ( grs / cm3 ) :
Diámetro ( cm ) :
Altura ( cm ) :
Peso ( grs ) :
Datos del ensayo
Altura nivel de agua ( cte ) =
Nº
Tiempo ( segundos )
1
2
3
4
5
Promedio
KT =
ηT / η20 =
k20 =
Observaciones :
cm.
Volumen agua drenado ( cc )
Tº del agua ( º C )
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO
ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD
Proyecto :
Ubicación :
Descripción del suelo :
Fecha de muestreo :
Fecha de ensayo :
Método nivel de agua variable
Datos del ensayo
2
Area de la tubería =
cm
Nº
Altura inicial ( hi )
1
2
3
4
5
Promedio
KT =
ηT / η20 =
k20 =
Observaciones :
Altura final ( hf )
Tiempo ( seg )
Volumen agua ( cc Tº agua (º C )
)