Permeabilidad de los suelos: concepto y determinación (“in situ” y en laboratorio)Publicado el 3 abril, 2013 por frankie

Expresión de la Ley de Darcy (fuente: www.arqhys.com)

Tema 5: Permeabilidad de los suelos.

5.1. Concepto de permeabilidad.

Definimos permeabilidad como la capacidad de un cuerpo (en términos

particulares, un suelo) para permitir en su seno el paso de un fluido (en

términos particulares, el agua) sin que dicho tránsito altere la

estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina

objetivamente mediante la imposición de un gradiente hidráulico en

una sección del cuerpo, y a lo largo de una trayectoria determinada.

El concepto permeabilidad puede recibir también las acepciones de

conductividad o transmisividad hidráulica, dependiendo del contexto en

el cual sea empleado.

La permeabilidad se cuantifica en base al coeficiente de permeabilidad,

definido como la velocidad de traslación del agua en el seno del terreno

y para un gradiente unitario. El coeficiente de permeabilidad puede ser

expresado según la siguiente función:

 k = Q / I A

Donde

– k: coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica [m/s]

– Q: caudal [m3/s]

– I: gradiente [m/m]

– A: sección [m2)]

En proyectos de ingeniería y arquitectura, las unidades con las que se

expresa generalmente el coeficiente de permeabilidad son cm/s y m/s;

en los ámbitos de la hidráulica o la hidrogeología es habitual observar

notaciones como cm/dia, m/año y similares.

Son diversos los factores que determinan la permeabilidad del suelo,

entre los cuales, los más significativos son los siguientes:

– Granulometría (tamaño de grano y distribución granulométrica.)

– Composición química del material (naturaleza mineralógica)

Como regla general podemos considerar que a menor tamaño de grano,

menor permeabilidad, y para una granulometría semejante (arenas, por

ejemplo) a mejor gradación, mayor permeabilidad. En cuanto al

quimismo, y para el caso de arcillas y limos, la presencia de ciertos

cationes (Sodio, Potasio) es un factor que disminuye la permeabilidad

en relación a otros (Calcio, Magnesio).

A efectos únicamente indicativos, el DB SE-C propone los siguientes

rangos de variación para la permeabilidad en función del tipo de

terreno (tabla D28):

valores orientativos del coeficiente de permeabilidad, DB SE-C

kz: coeficiente de permeabilidad vertical (se asume que la anisotropía de

los suelos, especialmente de las arcillas estratificadas, puede comportar

variaciones significativas en la magnitud del coeficiente de

permeabilidad medido en el plano horizontal.)

5.2. Medida de la permeabilidad: ensayos de laboratorio y

ensayos “in situ”

La estimación de la permeabilidad en suelos tiene diversos intereses,

algunos directos en el proyecto de una edificación, como puede ser la

valoración de la influencia de las aguas subterráneas sobre

construcciones soterradas (plantas sótano, por ejemplo) a efectos de

diseño de sistemas o procedimientos de impermeabilización o drenaje.

En tal sentido, el Código Técnico de la Edificación – en su documento

básico dedicado a la salubridad (DB HS) – requiere de la valoración

cuantificada de la permeabilidad del terreno en contacto con las soleras

y las estructuras de contención.

La estimación de la permeabilidad de los suelos (y en su caso, del

macizo rocoso) puede realizarse mediante tres clases de

procedimientos:

– Valoración de la permeabilidad mediante relaciones empíricas

establecidas entre la misma y alguna característica del

suelo, generalmente su granulometría.

– Medida directa de la permeabilidad sobre una muestra adecuada

(inalterada) en laboratorio.

– Estimación directa de la permeabilidad “in situ”, realizada durante la

ejecución de sondeos o pozos, consistentes en la medida de las pérdidas

en una columna de agua con la que se ha inundado la perforación.

De entre los ensayos “in situ”, los métodos que se citan generalmente

corresponden a los ensayos Lugeon (habitualmente realizado en

macizos rocosos fracturados), Lefranc (llevado a cabo generalmente en

suelos relativamente permeables) y Slug Test (también en suelos

permeables.)

Para el caso de suelos poco permeables, los ensayos “in situ” son poco

adecuados, requiriéndose la toma de muestras y la realización de

ensayos en laboratorio sobre las mismas. Según el objeto de la

investigación puede escogerse entre ensayar muestras adecuadamente

inalteradas (si es posible su obtención), o representativas, las cuales se

recompactan en el laboratorio para obtener probetas que reproduzcan

las condiciones del terreno.

Una vez confeccionada la probeta a ensayar, el material se satura y se

induce a través del mismo un flujo, cuyo caudal es medido en

condiciones preestablecidas.

Los métodos habituales de laboratorio son los siguientes:

– Sobre muestras inalteradas o recompactadas: ensayo en célula

triaxial, con presión en cola, bajo carga constante o variable (se trata

del ensayo más adecuado para suelos de muy baja permeabilidad.)

– Sobre muestras recompactadas:

Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga constante

(generalmente en suelos de permeabilidad alta).

Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga variable (apto

para suelos de permeabilidad media a baja).

Los ensayos de carga constante consisten en el mantenimiento del

gradiente hidráulico, determinando el caudal necesario para que dicha

carga hidráulica se mantenga constante. En los ensayos de carga

variable, en cambio, se inicia el proceso bajo un gradiente determinado,

y se observa la variación del mismo con el tiempo.

Las siguientes figuras ilustran los métodos operativos descritos tanto

para ensayos en sondeo como en el laboratorio:

Esquema del sistema utilizado para la medida de la permeabilidad “in

situ” mediante el ensayo Lugeon (nótese la colocación de un obturador

en el sondeo, que impide la subida del nivel de la columna de agua por

la perforación, y el mantenimiento de la presión hidráulica en la sección

ensayada a presión constante, midiendo el caudal inyectado.)

Ensayo Lefranc bajo carga constante

Ensayo Lefranc bajo carga variable

Esquemas de los procedimientos utilizados para la medida de la

permeabilidad “in situ” mediante el ensayo Lefranc (en este caso se

puede optar por mantener la columna de agua a nivel constante,

midiendo el caudal necesario para estabilizarla, o variable, midiendo la

variación del gradiente.) Fuente: F.J. Sánchez Sanroman: Medidas

Puntuales de Permeabilidad (“slug tests”).

Esquema del equipo de laboratorio para ensayos de suelos en célula

confinada y mediante carga constante (Das, 1998)

Esquema del equipo de laboratorio para ensayos de suelos en célula

confinada y mediante carga variable (Das, 1998)

 

Equipo triaxial utilizado para la determinación de la permeabilidad en

suelos, ensayo con probeta confinada mediante presión hidráulica y

presión en cola (