laboratorio de permeabilidad
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MEC NIC DE SUELOSINFORME DE L BOR TORIO
Alumno: Ramrez Ojeda Fernando
LABORATORIO DE ENSAYOS
DE MATERIALES
UNIVERSIDAD SEOR DE SIPNFACULTAD DE INGENIERA, ARQUITECTURA Y URBANISMO
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Docente: Msc ing Omar coronado zuloetaENSAYO DE PERMEABILIDAD
I. INTRODUCCIN
La permeabilidad es la facilidad con la que un fluido se mueve a travs de un medio
poroso.
En Ingeniera Geotcnica, el fluido es el agua y el medio poroso la masa de suelo. Esta
presencia de agua en la masa de suelo, es uno de los factores de mayor importancia que
incide en las propiedades ingenieriles del suelo, lo cual implica un estudio geotcnico muycuidadoso que requiere la participacin de un ingeniero civil y un gelogo. Estos
especialistas realizarn una revisin geolgica, antecedentes del rea y una investigacin
de campo con el objetivo de obtener un coeficiente de permeabilidad in situ, los cuales
son muy diversos, dependiendo del tipo de roca o suelo, de los poros, vacos,
discontinuidades o fisuras.
Se considera que los suelos y rocas en general tienen una permeabilidad media o cierto
grado de permeabilidad, considerndose a este flujo del agua a travs de los poros,vacos, discontinuidades o fisuras como laminar, es decir un flujo no turbulento. La
representacin para un flujo promedio en condiciones de permeabilidad media es
expresada por la ley de Darcy.
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II. MARCO TEORICO
Se dice que un material es permeable cuando permite el paso de los fluidos a travs desus vacos. Tratndose de suelos se dice que estos son permeables cuando tienen la
propiedad de permitir el paso del agua a travs de sus poros.
No todos los suelos tienen la misma permeabilidad, de ah que se los haya dividido en
suelos permeables y suelo impermeables. Denominndose impermeables a aquellos que
evitan el flujo del agua a travs de su masa o lo hacen lentamente como las arcillas, y
permeables a aquellos suelos por los que fluye el agua libremente, tal el caso de las
arenas.
La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores bsicos:La porosidad del material.
La densidad del fluido considerando, afectada por su temperatura.
La presin a que est sometido el fluido.
Para ser permeable un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacos
o poros que le permitan absorber fluido. A su vez tales deben estar interconectados para
que el fluido disponga de caminos a travs del material.
LEY DE DARCY
En la dcada de 1850, H. Darcy trabajando en pars estudi el flujo del agua en los suelos
usando un aparato similar al de la figura
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La Ley de Darcy describe, con base en experimentos de laboratorio, las caractersticas del
movimiento del agua a travs de un medio poroso.
La expresin matemtica de la Ley de Darcy es la siguiente:
Donde:
Q = gasto, descarga o caudal en m3/s.
L = longitud en metros de la muestra
K = una constante, actualmente conocida como coeficiente de permeabilidad de
Darcy, variable en funcin del material de la muestra, en m/s.
A = rea de la seccin transversal de la muestra, en m2.
h3= altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a
la entrada de la capa filtrante.
h4= altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a
la salida de la capa filtrante.
el gradiente hidrulico.
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La permeabilidad se mide en cm2. o m2. La unidad derivada de la Ley de Darcy es el
Darcy, utilizndose habitualmente el miliDarcy:
Conversin:
Validez de la Ley de Darcy
La Ley de Darcy es una de las piedras fundamentales de la mecnica de los suelos. A
partir de los trabajos iniciales de Darcy, un trabajo monumental para la poca, muchos
otros investigadores han analizado y puesto a prueba esta ley. A travs de estos trabajos
posteriores se ha podido determinar que mantiene su validez para la mayora de los tipos
de flujo de fluidos en los suelos. Para filtraciones de lquidos a velocidades muy elevadas y
la de gases a velocidades muy bajas, la ley de Darcy deja de ser vlida.
En el caso de agua circulando en suelos, existen evidencias abrumadoras en el sentido de
verificar la vigencia de la Ley de Darcy para suelos que van desde los limos hasta las
arenas medias. Asimismo es perfectamente aplicable en las arcillas, para flujos en rgimen
permanente.
Para suelos de mayor permeabilidad que la arena media, deber determinarse
experimentalmente la relacin real entre el gradiente y la velocidad para cada suelo y
porosidad estudiados.
En geologa la determinacin de la permeabilidad del suelo tiene una importante incidencia
en los estudios hidrulicos portante del sustrato (por ejemplo previo a la construccin de
edificios u obras civiles) , para estudios de erosin y para mineraloga, entre otras
aplicaciones.
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 prcticamente impermeables.
Tabla de permeabilidad intrnseca de algunos tipos de suelos.
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Tabla de permeabilidad intrnseca de algunos tipos de suelos
Permeabilidad y drenaje
De la mencionada ley de Darcy se deriva tambin una frmula que relaciona el volumen de
agua que atraviesa una muestra con su permeabilidad teniendo en cuenta el diferencial depresin:
Q = K * I * A
Donde:
Q = Cantidad de agua drenada a travs de la muestra por unidad de tiempo,
(cm3/h) K = Conductividad hidrulica o coeficiente de permeabilidad. Se expresa
generalmente en (cm/h).
I = = gradiente piezomtrico disponible; (m/m)
A = Seccin transversal por donde se filtra el agua en la muestra (cm2).
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Cuando se mide la filtracin tanto en el campo como en laboratorio, al inicio de la prueba
los valores son mayores y progresivamente se estabilizan en los valores finales que son
los que interesan para caracterizar un suelo desde este punto de vista. La velocidad final
de infiltracin se denomina Vf.
Para la medicin de la velocidad final de infiltracin, en el campo, sobre el suelo inalterado,
se utiliza el infiltrmetro de doble cilindro.
Los valores finales de infiltracin (Vf.) para los diversos suelos son presentados en la tabla
siguiente.
Q = K * I * A
Esta frmula es aplicable a todos los suelos de grano fino donde el flujo es laminar y el
gradiente hidrulico menor a 5.
Clases de permeabilidad de los suelos para obras de ingeniera civil
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Permeabilidad del suelo se relaciona con su textura y estructura
El tamao de los poros del suelo reviste gran importancia con respecto a la tasa de
filtracin (movimiento del agua hacia dentro del suelo) y a la tasa de percolacin
(movimiento del agua a travs del suelo). El tamao y el nmero de los poros guardan
estrecha relacin con la textura y la estructura del suelo y tambin influyen en su
permeabilidad.
Variacin de la permeabilidad segn la textura del suelo
Por regla general, como se muestra a continuacin, mientras ms fina sea la textura del
suelo, ms lenta sera la permeabilidad:
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La permeabilidad del suelo puede medirse en funcin de la velocidad del flujo de agua a
travs de este durante un periodo determinado. Generalmente se expresa o bien como una
tasa de permeabilidad en centmetros por hora (cm/h), milimetros por hora (mm/h), o
centmetros por da (cm/d), o bien como un coeficiente de permeabilidad en metros por
segundo (m/s) o en centmetros por segundo (cm/s).
Ejemplo
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COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD
El coeficiente de permeabilidad es una constante que tiene las dimensiones de la velocidad
y expresa la facilidad con que el agua atraviesa un suelo. Este coeficiente se expresa en :
cm. / seg
pies / min.
En suelos muy impermeables
Metro / da
Pies / da
La magnitud del coeficiente de permeabilidad depende de la viscosidad del agua, tamao,
forma y rea de los conductos a travs de los cuales fluye el agua. Como quiera que la
viscosidad es funcin de la temperatura, resulta que: cuanto ms alta es la temp eratura,
menor es la viscosidad y ms alta la permeabilidad.
La permeabilidad se refiere corrientemente a 20 C, o sea:
A 20 C K = 100%A 0 C K = 56 % de K
A 40 C K= 150 % de K
En los suelos limpios no cohesivos, la permeabilidad vara aproximadamente:
K = ( D10 )2
La frmula da Hazen para arenas limpias es:K = c ( D10 )2
Donde :
K = cm / seg
D10 = mm
C = constante que vara entre 1 y 1.5
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En suelos cohesivos, el tamao de los granos y la humedad existente son factores muy
importantes en la permeabilidad, de ah que K es proporcional a:
K = e2
Los minerales arcillosos influyen grandemente en la permeabilidad de los suelos, por que
parte del agua absorbida est tan fuertemente adherida a la superficie de la arcilla, que no
se puede mover de una partcula a otra sin gradientes muy altos.
CLASES DE PERMEMETROS
Para poder determinar la permeabilidad de los suelos, debido a los numerosos factores
que influyen en este coeficiente, es que se realizan en laboratorio los siguientes ensayos:
a) Permemetro de carga constante
b) Permemetro de carga variable
Para partculas que pasan por el tamiz # 20 , si el 10% es retenido en el # 200, se usa el
permemetro de carga variable, si el 90% es retenido en el # 200 , usamos el permemetro
de carga constante.
- PERMEABILIDAD DE CARGA CONSTANTE
Para determinar la permeabilidad de los suelos arenosos y gravas, se utiliza el
permemetro de carga constante en la que el nivel de agua se mantiene constante durante
todo el tiempo del ensayo.
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La frmula para determinar la permeabilidad de un suelo en un permemetro de carga
constante es :
De la ley de Darcy sabemos que:
V = k * i
Dnde:
V = velocidad del agua a travs de las partculas
K = constante de permeabilidad
i = gradiente hidrulico
pero:
Reemplazando en la primera ecuacin
Donde:
Q = volumen de descarga en un tiempo t
L = longitud de la muestra en el recipiente
A = rea transversal de la muestra
h= diferencia de niveles
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5.- Propiedades, sobre todo la viscosidad, del lquido que fluye. En nuestro caso,
trataremos con agua cuya viscosidad es funcin de la temperatura, como analizamos en el
acpite 9.3
La siguiente tabla suministra valores de k para distintos tipos de suelos:
VALORES RELATIVOS DE PERMEABILIDAD (Segn Terzaghi y Peck) Permeabilidad
relativa valores de k Suelo tpico (cm/seg)
Muy permeable Mayor que 1x10-1
Grava gruesa Moderadamente permeable 1x10-1 - 1x10-3
Arena, arena fina Poco permeable 1x10-3- 1x10-5
Arena limosa, arena sucia Muy poco permeable 1x10-5 - 1x10-7
Limo, arenisca fina Impermeable Menor que 1x10-7 Arcilla
III. OBJETIVOS.
Este mtodo de ensayo cubre un procedimiento para determinar el coeficiente de
permeabilidad mediante un mtodo de carga variable para el flujo laminar de agua atreves
de un suelo fino.
Determinar el coeficiente de permeabilidad mediante el permemetro de carga
variable.
Obtener las caractersticas de drenaje del suelo.
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IV. NORMAS EMPLEADAS.
AASHTOT215 (American Association of State Highway and Transportation
Officials).
ASTMD2434 (American Society for Testing Materials).
V. MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO.
Permemetro de carga variable.
1 balanza (con una precisin de 0.1 gramos )
Bomba de vaco.
Apisonador o martillo, con una altura de cada mnima de 9,84 cm. y un peso de
837 gr.
Termmetro para determinar la temperatura ambiente.
Cronometro.
Escudilla de porcelana y esptula.
VI. PREPARACION DE LA MUESTRA.
Se requiere de 100 gramos de material fino (arcilla o limo arcillosos). Es posible tambin
usar un suelo mezclado de 60 gr. de arcilla y 40 gr. de arena.
VII. PROCEDIMIENTO
Se debern realizar los siguientes pasos:
Instalar el permemetro de carga variable sobre la mesa de trabajo en el laboratorio
y desarmarlo por medio de los soportes, que poseen unas tuercas o mariposas.
Con el calibrador medir el dimetro del tubo piezomtrico d en cm. Medir tambin
con el calibrador el dimetro D del tubo transparente, que ser el dimetro de la
muestra.
Colocar la primera piedra porosa en el tubo transparente, a modo base.
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Colocar la muestra, en una primera capa y compactar con 15 golpes del martillo
indicado, haciendo lo mismo para tres capas.
Colocar la segunda piedra porosa, a modo de tapa.
Medir con el calibrador la altura de la muestra L.
Armar el aparato, cerrando con la tapa y resorte, asegurando los soportes con las
tuercas respectivas.
Colocar la bomba de vaco a la salida del permemetro y hacer funcionar, con el
objetivo de que el paso del agua sea a una velocidad mayor, provocada por la
succin del vaco.
Una vez saturada la muestra se llenara nuevamente el tubo piezomtrico, cerrando
la vlvula de entrada y se leer la altura de esta, siendo la misma, la altura
denominada h1.
Abrir la vlvula y leer alturas h2 para los tiempos de 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105,
120, , etc.; en segundos.
VIII. DATOS Y CALULOS.
Permemetro de carga variable.
Calclese el coeficiente de permeabilidad as:
k = Coeficiente de permeabilidad,
a = rea del tupo pizonomtrico.
L = Longitud muestra
A = rea de la seccin transversal del espcimen
t = Tiempo total de desage
H1 = Altura inicial del agua
H2 = Altura final
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Datos obtenidos:
DATOS DE LA MUESTRA
DIMETRO 15.205 cm REA 181.578 cm2
ALTURA 11.655 cm VOLUMEN 2116.289 cm3
PESO 6678.0 g DENSIDAD 3.156 g/cm3
CLCULO DELVOLUMEN DEL MOLDE
DIMETRO ALTURA
15.22 11.68
15.19 11.65
15.23 11.64
15.18 11.65
PROMEDIO (cm) 15.205 11.655
REA (cm2) 181.578PESO (gr) 6678.000
DATOS DEL ENSAYO
Altura de la Cabeza Variable (h) (cm) 46
EXPERIMENTON
t(SEGUNDOS)
Q(cm3/s)
Tx (C)volumen
agua(ml)
temperatura(C)
peso molde+ muetra
(gr)
rea molde(cm2)
densidadrelativa del
H2O (22.175C)
1 60.03 0.416458 25 25 22.2 6678 181.578 0.99776137
2 60.03 0.416458 25 25 22.2 6678 181.578 0.997761373 60.05 0.416320 25 25 22.3 6678 181.578 0.99776137
4 60.06 0.416250 25 25 22 6678 181.578 0.99776137
PROMEDIO 60.043 0.416372 25 25 22.175 6678 181.578 0.99776137
K (Tx) = ((Q) * (L)) / ((A) * (h) * (t)) 0.00000967639778684 cm / s
K (T20) = K (Tx) * (Tx / T20) 1.07287060461538E-05 cm / s