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La permeabilidad de un suelo puede medirse en el laboratorio o en el terreno; las determinaciones de laboratorio son muchos más fáciles de hacer que las que se hacen en el terreno o también conocido como in situ. Debido a que la permeabilidad depende mucho de la estructura del suelo y debido a la dificultad de obtener muestras de suelo representativo, suelen ser necesarias las determinaciones en el terreno de la permeabilidad media. Sin embargo, las pruebas de laboratorio permiten estudiar la relación entre la permeabilidad. Entre los métodos más utilizados en el laboratorio para la determinación de la permeabilidad están:
1. El permeámetro de carga variable 2. El permeámetro de carga constante. Como es necesaria la permeabilidad relativamente grande para obtener una buena precisión en la prueba de carga variable, este se limita a suelos permeables. Además el grado de saturación de un suelo no saturado varía durante la prueba por lo que esta solo debe utilizarse en suelos saturados. La prueba de permeabilidad con carga constante se utiliza ampliamente con todos los tipos de suelos. Un material se dice que es permeable cuando permite el paso de los fluidos a través de sus poros. Tratándose de suelos, se dice que es dice que estos son permeables cuando tienen la propiedad de permitir el paso del agua a través de sus vacíos. No todos los suelos tienen la misma permeabilidad; de ahí que se los haya dividido en suelos permeables y suelos impermeables. Se llama impermeables a aquellos (generalmente arcillosos) en los cuales la cantidad de escurrimiento del agua es pequeña y lenta los permeables son aquellos que permite, con relativa facilidad, el paso de agua a través de sus poros
La ley de Darcy fue enunciada por su autor en 1856, después de diversos trabajos y experimentaciones. Establece que el caudal Q que es capaz de atravesar un medio permeable, es proporcional al área de paso del medio permeable A, normal al flujo, y al gradiente de niveles piezométricos entre la entrada y la salida del flujo en el medio permeable, i. La constante de proporcionalidad es la permeabilidad del medio, en la que
En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular. El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser turbulentos. El número de Reynolds es un parámetro a dimensional importante en las ecuaciones que describen en qué condiciones el flujo será laminar o turbulento. En el caso de fluido que se mueve en un tubo de sección circular, el flujo persistente será laminar por debajo de un número de Reynolds crítico de aproximadamente 2040. Para números de Reynolds más altos el flujo turbulento puede sostenerse de forma indefinida. Sin embargo, el número de Reynolds que delimita flujo turbulento y laminar depende de la geometría del sistema y además la transición de flujo laminar a turbulento es en general sensible a ruido e imperfecciones en el sistema.
Existen varios procedimientos para determinar el coeficiente de permeabilidad del suelo, métodos directos que se basan en pruebas con utilización de instrumentos de laboratorio (Permeámetros) y otros indirectos, proporcionados por pruebas técnicas como la de la curva granulométrica. En la presente práctica, para determinar el coeficiente de permeabilidad se realizara mediante el permeámetro de carga constante y permeámetro de carga variable. 2.3.1. PERMEAMETRO DE CARGA CONSTANTE Ofrece el método más simple para determinar el coeficiente de permeabilidad de ese suelo. Una muestra de suelo de área transversal A y longitud L conocidas, confinadas en un tubo, se somete a una carga hidráulica h. El agua fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad (en cm3) que pasa en un tiempo t. El gradiente hidráulico permanece constante a lo largo de todo el periodo del ensayo. Los niveles de agua
superior e inferior se mantienen constante por desborde, con lo cual h permanece constante, pues depende solamente de esa diferencia de niveles. La cantidad de agua que pasa se recoge en una bureta graduada. Conocidos los valores Q, h, L, A, se calcula el coeficiente de permeabilidad. El inconveniente del permeámetro es que, en suelos poco permeables, el tiempo de prueba se hace tan largo que deja de ser práctico usando gradientes hidráulicos razonables, además de tener una incidencia muy importante en los resultados los fenómenos de evaporación. 2.3.1. PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE En este tipo de permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. En la figura, vemos dos dispositivos típicos, el (a) usado en suelos predominantemente finos, y el (b) apropiado para materiales más gruesos.
muestras inalteradas en sondeos de poco costo; éstas pueden usarse en pruebas para determinar el coeficiente de permeabilidad en dirección paralela y normal a la dirección de la estratificación.
El grado de saturación de los suelos es directamente proporcional a la permeabilidad del mismo, cuando este aumenta, el coeficiente K también aumenta. Es difícil determinar la conductividad hidráulica si no se considera la continuidad del flujo a través del medio, para garantizar esto los ensayos de laboratorio se hacen sobre una muestra saturada, esto a su vez demuestra que dichas pruebas se hacen en las condiciones más desfavorables que puede presentar un suelo permeable.
Muchos factores afectan a la permeabilidad del suelo. En ocasiones, se trata de factores en extremo localizados, como fisuras, y es difícil hallar valores representativos de la permeabilidad a partir de mediciones reales. Un estudio serio de los perfiles de suelo proporciona una indispensable comprobación de dichas mediciones. Las observaciones sobre la textura del suelo, su estructura, consistencia, color y manchas de color, la disposición por capas, los poros visibles y la profundidad de las capas impermeables como la roca madre y la capa de arcilla, constituyen la base para decidir si es probable que las mediciones de la permeabilidad sean representativas. El suelo está constituido por varios horizontes, y que, generalmente, cada uno de ellos tiene propiedades físicas y químicas diferentes. Para determinar la permeabilidad del suelo en su totalidad, se debe estudiar cada horizonte por separado.
De un análisis teórico surge que el valor del coeficiente de permeabilidad del suelo es proporcional a la viscosidad cinemática del agua, expresado mediante la relación: ”a” Dónde “ v“ representa la viscosidad cinemática( 𝜼 𝝆
𝜼𝒈 𝜸𝒘 ) del agua. Para poder comparar fácilmente los resultados de las pruebas de permeabilidad es conveniente referirlos a una temperatura constante, normalmente a 20°C. indicando por el subíndice T los resultados obtenidos a la temperatura de la prueba, la referencia se hace aplicando la relación 𝒌𝟐𝟎 = 𝒌𝑻 ∗ 𝒗𝑻 𝑽𝟐𝟎 ”b” Experimentalmente se ha encontrado que la anterior relación teórica “a” es correcta para arenas, habiéndose encontrado pequeñas desviaciones en arcillas. Para aplicar la relación” b” es necesario usar un diagrama que muestre la relación entre la temperatura prueba y el coeficiente 𝒗𝑻 𝑽𝟐𝟎 En lugar de la relación entre viscosidades cinemáticas puede usarse la relación de viscosidades absolutas 𝜼𝑻 𝜼𝟐𝟎 ya que la variación del peso específico del agua con la temperatura es mínima respecto al cambio de viscosidad. Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M, Das
Factores que influyen en el valor del coeficiente de permeabilidad del suelo: La relación de vacíos. ➢ La temperatura del agua. ➢ La estructura y estratificación del suelo. ➢ La existencia de huecos y fisuras o huecos en el suelo. ➢ Tamaño de partículas. ➢ Aire encerrado y materiales extraños en los vacíos.
Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M, Das – Tabla Nº
ARGUMENTO SIMBOLO UNIDAD tiempo de recoleccion de agua t seg diametro de la muestra ∅ muestra cm Altura de la muestra L cm Diametro de la Bureta ∅ Bureta cm Area de la Bureta a cm Area de la muestra A cm nivel inicial del agua en el tubo h1 cm nivel final del agua en el tubo h2 cm perdida de carga ∆h cm conductividad hidraulica k cm/seg DATOS GENERALES
Fórmula de determinación del coeficiente de permeabilidad para el método de carga constante: 𝒌 =
Para el suelo 1 – ensayo N° 𝒌 =
𝒉= 60 cm; V = 800ml = 𝟖𝟎𝟎𝒄𝒎 𝟑 ; L = 150mm = 15cm; A = 𝝅 ∗ ∅𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝟐 𝟐 ; t = 2seg 𝒌𝑻°𝑪 =
𝟑 ∗ 𝟏𝟓𝒄𝒎 𝟔𝟎𝒄𝒎 ∗ 𝝅 ∗ (
𝟐 𝒄𝒎𝟐^ ∗ 𝟐𝒔𝒆𝒈 𝒌𝑻°𝑪 = 𝟓, 𝟎𝟗𝟑𝒄𝒎 ⁄𝒔𝒆𝒈 FACTOR DE CORRECCION POR TEMPERATURA 𝒌𝟐𝟎 = 𝒌𝑻 ∗
⁄𝒔𝒆𝒈 𝒌𝟐𝟎°𝑪 = 𝟒, 𝟗𝟕𝟏𝒄𝒎^ ⁄𝒔𝒆𝒈 𝒌 =
𝒉=60cm; V = 960ml = 960𝒄𝒎𝟑; L = 150mm = 15cm; A = 𝝅 ∗ ∅𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝟐 𝟐 (^) ; t = 2 ,5seg 𝒌𝑻°𝑪 =
𝟐 𝒄𝒎𝟐^ ∗ 𝟐, 𝟓𝒔𝒆𝒈 𝒌𝑻°𝑪 = 𝟒, 𝟖𝟖𝟗𝒄𝒎⁄^ 𝒔𝒆𝒈 FACTOR DE CORRECCION POR TEMPERATURA 𝒌𝟐𝟎 = 𝒌𝑻 ∗
Para el suelo 1 – ensayo N° Para el suelo 1 – ensayo N°
Para el suelo 2 – ensayo N° 𝒌 =
𝒉=90cm; V = 550ml = 550 𝒄𝒎𝟑; L = 150mm = 15cm; A = 𝝅 ∗ ∅𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝟐 𝟐 (^) ; t = 4 seg 𝒌𝑻°𝑪 =
𝟐 𝒄𝒎𝟐^ ∗ 𝟐, 𝟓𝒔𝒆𝒈 𝒌𝑻°𝑪 = 𝟏, 𝟏𝟔𝟕𝒄𝒎⁄ (^) 𝒔𝒆𝒈 FACTOR DE CORRECCION POR TEMPERATURA 𝒌𝟐𝟎 = 𝒌𝑻 ∗
⁄𝒔𝒆𝒈 Para el suelo 2 – ensayo N° 𝒌 =
𝒉=90cm; V = 700ml = 𝟕𝟎𝟎𝒄𝒎𝟑; L = 150mm = 15cm; A = 𝝅 ∗ ∅𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝟐 𝟐 (^) ; t = 1,5seg 𝒌𝑻°𝑪 =
𝟐 𝒄𝒎𝟐^ ∗ 𝟏, 𝟓𝒔𝒆𝒈 𝒌𝑻°𝑪 = 𝟑, 𝟗𝟔𝟏𝒄𝒎⁄^ 𝒔𝒆𝒈 Para el suelo 2 – ensayo N° 2 Para el suelo 2 – ensayo N° 3
FACTOR DE CORRECCION POR TEMPERATURA 𝒌𝟐𝟎 = 𝒌𝑻 ∗
⁄𝒔𝒆𝒈 Para el suelo 3 – ensayo N° 𝒌 =
𝒉=60cm; V = 680ml = 680𝒄𝒎𝟑; L = 150mm = 15cm; A = 𝝅 ∗ ∅𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝟐 𝟐 (^) ; t = 2seg 𝒌𝑻°𝑪 =
𝟐 𝒄𝒎𝟐^ ∗ 𝟐𝒔𝒆𝒈 𝒌𝑻°𝑪 = 𝟒, 𝟑𝟐𝟗𝒄𝒎 ⁄𝒔𝒆𝒈 FACTOR DE CORRECCION POR TEMPERATURA 𝒌𝟐𝟎 = 𝒌𝑻 ∗
⁄𝒔𝒆𝒈 Para el suelo 3 – ensayo N° 𝒌 =
𝒉=60cm; V = 701ml = 701𝒄𝒎𝟑; L = 150mm = 15cm; A = 𝝅 ∗ ∅𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝟐 𝟐 (^) ; t = 2,25seg 𝒌𝑻°𝑪 =
𝟐 𝒄𝒎𝟐^ ∗ 𝟐, 𝟐𝟓𝒔𝒆𝒈 𝒌𝑻°𝑪 = 𝟑, 𝟗𝟔𝟕𝒄𝒎⁄ (^) 𝒔𝒆𝒈 Para el suelo 3 – ensayo N° 1 Para el suelo 3 – ensayo N° 2
