ENSAYO DE PERMEABILIDAD (CABEZA CONSTANTE Y CABEZA VARIABLE)

1. Objetivos.

Este ensayo busca determinar el coeficiente de permeabilidad saturado mediante un método de cabeza constante y cabeza variable para el flujo laminar de agua a través de los suelos.

2. Generalidades.

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.

La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:

la porosidad del material; la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura; la presión a que está sometido el fluido.

Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material.

La permeabilidad del suelo suele aumentar por la existencia de fallas, grietas, juntas u otros defectos estructurales. Algunos ejemplos de roca permeable son la caliza y la arenisca, mientras que la arcilla o el basalto son prácticamente impermeables.

Esta permeabilidad tiene un efecto decisivo sobre el costo y las dificultades a encontrar en muchas operaciones constructivas, como lo son: excavaciones a cielo abierto en arena bajo agua o la velocidad de consolidación de un estrato de arcilla bajo el peso de un terraplén, de allí la importancia de su estudio.

Existen dos métodos generales de laboratorio para determinar directamente el coeficiente de permeabilidad de un suelo. Estos son los llamados método de la cabeza constante y el método de la cabeza variable. Ambos métodos se basan en la ley de Darcy.

Permeabilidad cabeza constante: para suelos de alta permeabilidad, como arenas y gravas.

Condiciones del ensayo:

Continuidad de flujo sin cambios en el volumen del suelo durante el ensayo. Flujo con los vacíos del suelo saturados con agua y sin burbujas de aire dentro

de los mismos.

El procedimiento está destinado a establecer valores representativos del coeficiente de permeabilidad de suelos granulares presentes en depósitos naturales o colocados en terraplenes, o cuando se empleen como bases bajo pavimentos.

Figura 1. Esquema representativo de la prueba de cabeza constante

Permeabilidad cabeza variable: para suelos de mediana permeabilidad a baja permeabilidad, como limos y arcillas. Este ensayo es de carácter transitorio y produce coeficientes de permeabilidad variables dependientes del tiempo.

Figura 2. Esquema representativo de la prueba de cabeza variable

3. Listado de equipos

Permeámetros con cámara en Plexiglás. Tanque o embudos de cabeza constante. Soportes para el tanque. Calibrador. Niveles. Piedras porosas. Equipo para la compactación de la muestra. Mangueras en Tygon. Reglas para medir la cabeza de agua. Cronómetro. Recipiente graduado para recoger el agua.

4. Procedimiento.

Cabeza constante: medir la permeabilidad en arena saturada

Paso 1: Deposito del suelo en la cámara. Desmontar la cámara.

Tomar las dimensiones de la cámara: diámetro interno y altura, para así poder obtener el volumen.

Antes de volver a ajustar la cámara al molde se colocará en la base una piedra porosa saturada con anterioridad.

Llenar la cámara con arena suelta(con una cuchara), dejando un espacio para que se introduzca un resorte, y una piedra porosa anteriormente saturada.

Colocar el resorte y la piedra porosa saturada sobre la superficie de la muestra, dentro de la cámara y fijar los tornillos de la cámara.

Paso 2: Saturación de la muestra

Fijar la manguera y el embudo a la llave inferior de la cámara, para permitir la entrada de agua al suelo, dejar descansar el embudo sobre una base para así darle estabilidad, llenar éste con agua y abrir la llave de paso inferior y superior también para que por allí salga el aire.

o Realizar este proceso hasta que la muestra este bien saturada y el agua se desborde por la llave superior.

Paso 3: Mediciones

Al tener el suelo ya saturado se cambia la manguera del embudo a la boquilla superior del molde, el embudo se llena nuevamente de agua y se mide el nivel de la misma, con respecto a la base de la muestra.

Medir la longitud de la muestra. Cuando inicie el ensayo asegurarse que el nivel en el embudo permanezca en la

misma posición, es decir, constante. Ubicar el Baker en la parte inferior de la cámara para medir el volumen con

respecto al tiempo. Cuando se tenga preparado el embudo con el agua, el recipiente medido y el

cronometro, de dará inicio al ensayo abriendo las llaves de paso, se dejará fluir el agua durante aproximadamente 2 minutos, se realizaran tres medidas de volumen con respecto a tiempo.

Carga variable: medir la permeabilidad en el suelo fino que se está trabajando.

Paso 1: Compactación del suelo en la cámara.

Determinar el peso unitario seco del suelo que se está trabajando. Con el peso unitario del suelo seco y conocido el volumen de suelo que se debe

incluir en el molde, determinar el peso del material necesario para el ensayo. Se colocará una capa de suelo alterado (previamente macerado), alrededor de

4cm en la cámara y con el equipo de compactación manual se le darán 15 golpes de modo uniforme; repetir este proceso hasta obtener la densidad necesaria.

Paso 2: Saturación de la muestra

Fijar la manguera y el embudo a la llave inferior de la cámara, para permitir la entrada de agua al suelo, dejar descansar el embudo sobre una base para así darle estabilidad, llenar éste con agua y abrir la llave de paso inferior y superior también para que por allí salga el aire.

o Realizar este proceso hasta que la muestra este bien saturada y el agua se desborde por la llave superior.

Paso 3: Mediciones

Teniendo el suelo saturado, se conecta una manguera de la boquilla superior del molde al equipo de carga variable (piezómetro: columna de agua diámetro pequeño).

Medir la longitud de la muestra. Llenar este equipo con agua, asegurarse que esté completamente vertical. Anotar el nivel inicial del agua en la regleta. Alistar el cronómetro y el recipiente medido para recoger el agua que saldrá en la

parte inferior de la cámara. Medir el tiempo y el volumen que sale del sistema y el nivel final registrado en el

piezometro (realizar éste proceso tres veces).

5. Cálculos.

Cabeza constante.

Ecuación 1

donde:

k = Coeficiente de permeabilidad.V = volumen recuperado en un Baker.L = Longitud de la muestra, medida exteriormente.A = Área de la sección transversal del espécimen.t = Tiempo total de drenaje.h = Distancia existente entre la base de la muestra y el nivel de agua en el embudo.

Cabeza variable

Ecuación 2

Donde:h1= Altura piezométrica en tiempo 0.h2= Altura piezométrica cuando finaliza el ensayo.L= Longitud de la muestra.A= Sección de la muestra.a= Sección transversal de la tubería de circulación de agua (Piezómetro)t2-t1= Tiempo en el que transcurre la prueba

6. Preguntas

Calcular el coeficiente de permeabilidad k y promediando los resultados obtenidos. Expresar los resultados en cm/s.

Cuáles de las ecuaciones empíricas para determinar la permeabilidad en arenas y finos planteada en clase utilizaría para calcularla si no se pudiera realizar los análisis en laboratorio.

¿A qué se debe la variación en la cantidad de agua que fluye a través de la muestra en cada prueba sucesiva?

¿Qué puede hacerse para producir una condición de Q = constante en cada prueba sucesiva?

Si se desea construir una cancha de tenis en el patio de su casa (cancha de arcilla). Aplicando los conocimientos adquiridos en el curso ¿Con qué material y de qué manera diseñaría la red de drenaje de la cancha?

La permeabilidad en un suelo saturado es igual a la permeabilidad en un suelo no saturado?, justifique su respuesta.

En los suelos, la permeabilidad horizontal es menor a la permeabilidad vertical, porque?

Nombre y describa un método para determinar la permeabilidad no saturada del suelo en campo y otro en laboratorio?

DETERMINACIÓN DE PERMEABILIDAD SATURADAUNIVERSIDAD LIBRE SEDE PEREIRA

Carga constante: permeabilidad de la arena

Permeabilidad promedio k: _________

Carga variable permeabilidad de suelo fino

Permeabilidad promedio k: _________

  V t k

1    

2    

3    

V (muestra)

L (muestra)

A ( muestra)

ΔH

d(muestra inalterada)  

( muestra inalterada)

W ( muestra inalterada)

V (muestra)

L (muestra)  

A (muestra)  

a (piezómetro)  

h1  

h2  

  V t k

1    

2    

3