“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático”

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINAFACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA

DEPARTAMENTO DE ORDENAMIENTO TERRITORIAL

INFORME N°4

TITULO: ENSAYO DE PERMEABILIDAD

CURSO: MECANICA DE SUELOS

PROFESOR: ING. MIGUEL MÁLAGA CUEVA

INTEGRANTES:

Huamán Tinco, Raúl

Medina Coronado, Daniel

Meza Rojas, Antonio

Vílchez, Juan Carlos

GRUPO : E *

FECHA DE ENTREGA: 21/04/2013

INDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. OBJETIVOS

3. MARCO TEÓRICO

4. MATERIALES Y EQUIPOS

5. PROCEDIMIENTO

6. RESULTADOS

7. DISCUSIONES

8. CONCLUSIONES

9. RECOMENDACIONES

10. BIBLIOGRAFÍA

11. ANEXOS

1. INTRODUCCION

El coeficiente de permeabilidad es la velocidad de agua a través del suelo, cuando está sujeto a un gradiente hidráulico unitario. Este coeficiente refleja las propiedades físicas del suelo.

Existen dos métodos generales de laboratorio para determinar directamente el K de un suelo: método de la carga constante, método de la carga variable. De estos métodos se desarrolla en función de los estudio en la aplicación de las leyes de Darcy, cada uno de estos se caracteriza por:

- El permeámetro de carga constante, donde se hace uso de la carga hidráulica “h”, el agua fluye a través de la muestra, esta cantidad se mide en cm³ para un tiempo t.

- Permeámetro de carga variable, se halla midiendo la diferencia de niveles en el tubo alimentador.

En el análisis de este coeficiente de permeabilidad, se tendrá que analizar también cuales son los factores que influyen en la variación de este valor para un mismo suelo.

2. OBJETIVOS

Mediante experimentación en laboratorio se aprenderá a determinar el coeficiente de permeabilidad del suelo utilizando los métodos de la carga constante y la carga variable.Saber interpretar el coeficiente de permeabilidad, y explicar por qué es que este valor varía para un mismo suelo.

3. MARCO TEORICO

Conceptos importantes antes de la definición de la Ley de Darcy

El suelo tiene propiedades hidráulicas, como la capilaridad, flujo de agua en los suelos, velocidad de descarga, es así que surge los problemas de relativos al flujo de los líquidos en los suelos, estos son dos: flujo laminar y flujo turbulento.

Para definir estos dos conceptos primero definiremos la línea de flujo, como la línea ideal en que cada punto tiene la dirección del flujo, en el instante en que se trate, en todo punto el vector velocidad y la línea de flujo que pasa por el serán tangentes. Entonces se sabe que a velocidades bajas un flujo ocurre en forma laminar, mientras que al aumentar aquellas se llega a un límite en que se transforma en turbulento, esto indica la existencia de un intervalo de velocidad en el cual el flujo puede ser laminar o turbulento.

De estos concepto el estudioso Reynolds plantea la velocidad crítica está en la velocidad en cada líquido abajo del cual, para un cierto diámetro de conducción y a una temperatura dada, el flujo es siempre laminar. La velocidad mayor arriba del cual el flujo siempre es turbulento, en el caso del agua este es 6.5Vc.

Dónde:

Vc = velocidad critica, en cm/seg

T = Temperatura del agua, en °C

D = Diámetro de la conducción, en cm.

Estos flujos se pueden relacionar con el gradiente hidráulico (i), que es la carga hidráulica por unidad de longitud, del mismo la carga hidráulica, es una medida específica de la presión del líquido por encima del Datum geodésico.

Otro concepto importante que se debe de conocer antes para definir la ley de Darcy y por ende el coeficiente de permeabilidad, este es la velocidad media, el cual en un conducto en régimen laminar o turbulento es función de perdida de carga hidráulica por unidad de longitud (i)

Ley de Darcy

Flujo de agua a través de medios porosos, Henri Darcy investigo las características del flujo del agua a través de filtros, formados precisamente por materiales térreos.

Darcy encontró que para velocidades suficientemente pequeñas el gasto queda expresado por:

Donde:

A = área total de la sección transversal del filtro

i = gradiente hidráulico del flujo

h = al tura piezometrica

Z = carga de elevación del punto

La ecuación de continuidad del gasto establece que:

Q = Av v =ki

Donde:

A = área del ducto

V = velocidad del flujo

Es así que en el intervalo en que la Ley de Darcy es aplicable, la velocidad del flujo es directamente proporcional al gradiente hidráulico, esto indica que dentro del campo de aplicabilidad de la ley de Darcy, el flujo en el suelo es laminar.

Con esto conceptos se puede deducir el coeficiente de permeabilidad de los suelos (K):

Coeficiente de permeabilidad (K)

Es la velocidad del agua a través del suelo, cuando está sujeta a un gradiente hidráulico unitario, es importante señalar que este coeficiente de permeabilidad refleja propiedades físicas del suelo. Es así que existe una clasificación de suelos, según su coeficiente de permeabilidad ya que en los suelos el valor de coeficiente es muy variable según el tipo de suelo.

Para la determinación del coeficiente de permeabilidad existen varios procedimientos, uno “directos”, llamados así porque se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de tal coeficiente, otros “indirectos”, proporcionados, en forma secundaria, por pruebas y técnicas que primeramente persiguen otros fines. Estos métodos son los siguientes:

a) Directos:1. Permeámetro de carga constante2. Permeámetro de carga variable3. Prueba directa de los suelos en el lugar

b) Indirectos:1. Cálculos a partir de la curva granulométrica2. Calculo a partir de la prueba de consolidación3. Calculo con la prueba horizontal de capilaridad

Los métodos para la determinación del coeficiente de permeabilidad indirectos son de valor muy limitado, validas como norma de criterio, pero nunca sustitutiva de métodos más precisos, del tipo de los que se dan a continuación.

Permeámetro de carga constante

En este el agua fluye a través de la muestra, mediante la cantidad (en cm³) que pasa en el tiempo t. aplicando la Ley de Darcy:

Donde:

V = es la mencionada cantidad de agua

i = gradiente hidráulico del flujo,

Ha de tenerse en cuenta que este método ´presenta un inconveniente es que, en suelo poco permeables, el tiempo de prueba se hace tan largo que deja de ser practico, usando gradientes hidráulicos razonables.

Permeámetro de carga variable

En este tipo de permeámetro, se mide por diferencia de niveles en el tubo alimentador. Es to es que al ejecutar la prueba se lana de agua el tubo vertical del permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra. También en este se utiliza dos dispositivos diferentes en el cual uno es para suelos predominantemente finos y otro apropiado para materiales más gruesos.

Según la Ley de Darcy se deduce el coeficiente de permeabilidad:

Donde:

a = Área del tuvo vertical de carga

A = Área de la muestra

L = longitud de la muestra

h1 = Carga hidráulica al principio de la prueba

h2 = Carga hidráulica al final de la prueba

hc = Altura de ascensión capilar, que debe deducirse de la lectura total del tubo de carga

t = Tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h1 a h2.

Los permeámetros y concretamente el de carga variable, pueden usarse solo en suelos relativamente permeables, generalmente arenas y limos o mezclas de esos materiales, no plásticas. La permeabilidad de las arcillas se determina en laboratorio con la prueba de consolidación. La razón es que la baja permeabilidad de las arcillas daría lugar a tiempos de prueba tan largos que la evaporación y los cambios de temperatura producirían errores de mucha consideración.

4. MATERIALES Y EQUIPOS

Método de la carga constante

Materiales:

Muestra de suelo (arena limosa en estado suelto). Agua destilada. Arena calibrada

Equipos:

Permeámetro de carga constante Discos perforados de metal o plásticos y telas de malla Nº35 y Nº100 Tubos de vidrio, plástico o jebe, tapones, prensas, para hacer las conexiones Dispositivo para mantener constante el nivel del agua en el reservorio Tablero piezometrico con tubos de vidrio conectados al permeámetro Cronometro Probeta graduada Balanza con precisión de 0.1g Regla graduada

Método de la carga constante

Materiales:

Muestra de suelo (arcilloso) Agua destilada

Equipos:

Permeámetro de carga variable Discos perforados de metal o plásticos y telas de malla Nº35 y Nº100 Tubos de vidrio, platico o jebe, tapones, prensas, para hacer las conexiones Tubo de carga Cronometro Balanza con precisión de 0.1g. Regla graduada

5. PROCEDIMIENTO

METODO DE LA CARGA CONSTANTE

1. Tomamos una muestra seca de suelo y la pesamos, de esta forma obtenemos el peso seco de la muestra (Ws)

2. Calculamos el volumen del solido (Vs) de la muestra, para esto se debe conocer previamente el peso específico relativo del suelo (G)

3. Colocamos una tela de malla (con aberturas lo suficientemente pequeñas para retener la muestra de suelo) sobre un disco perforado en el fondo del permeámetro. Seguido de esto colocamos unos centímetros de arena calibrada sobre la tela de malla para evitar cavado de finos.

4. Dejamos entrar agua destilada en el permeámetro hasta una altura de aproximadamente ½’’ por encima de la tela de malla. A continuación colocamos toda la muestra de suelo en el permeámetro, desde una altura tal que evite la segregación de esta.

5. Colocamos unos centímetros más de arena calibrada sobre la muestra de suelo y la cubrimos con tela de malla de manera similar a la que se colocó en el fondo del permeámetro.

6. Medimos la longitud inicial (Lo) de la muestra y el área (A) a partir del diámetro (D) que posee esta. Con estos datos calculamos el volumen total de la muestra (VT) y la relación de vacíos (e)

7. Medimos las distancias entre los piezómetros (L), conectamos al permeámetro 8. Ajustamos la altura del reservorio de carga constante hasta obtener la gradiente

hidráulica deseada.9. Abrimos la llave del agua para que el agua vaya ir del reservorio al permeámetro y

a continuación puede fluir a través de la muestra. Dejamos pasar varios minutos hasta que las condiciones de equilibrio sean alcanzadas.

10. Con ayuda de una probeta graduada, calculamos el volumen de agua descargado (V) en un intervalo de tiempo conocido (Δt)

11. Medimos las alturas piezometricas (h) en la muestra de suelo, por medio de los piezómetros conectados al Permeámetro y determinamos las pérdidas de carga (Δh), restando las alturas piezometricas entre dos puntos de control.

12. Repetimos los pasos del 5 al 12, pero en este caso compactamos la muestra de suelo.

13. Ya en gabinete se hallara: Vs, VT, e y K.

METODO DE LA CARGA VARIABLE

1. Tomamos la muestra seca de suelo y la pesamos, de esta forma obtenemos el peso de la muestra (Ws)

2. Calculamos el volumen de solidos (Vs) de la muestra, para esto se debe conocer previamente el peso específico relativo del suelo (G)

3. Colocamos una tela de malla sobre un disco perforado en el fondo del permeámetro. Seguido de esto colocamos unos centímetros de arena calibrada sobre la tela de malla para evitar el cavado de finos.

4. Dejamos entrar agua destilada en el permeámetro hasta una altura de aproximadamente ½’’ por encima de la tela de malla. A continuación colocamos toda la muestra de suelo en el permeámetro, desde una altura tal que evite la segregación de esta.

5. Colocamos unos centímetros más de arena calibrada sobre la muestra de suelo y la cubrimos con la tela de malla de manera similar a la que se colocó en el fondo del permeámetro.

6. Medimos la longitud (L) de la muestra, y el área (A) a partir del diámetro (D) que posee esta. Con estos datos calculamos el volumen total de la muestra (VT) y la relación de vacíos (e)

7. Colocamos el permeámetro con la muestra de suelo en el recipiente con rebose superior, el cual se llena lentamente hasta el nivel de rebose

8. Una vez saturada la muestra la conectamos al tubo de carga, del cual medimos el área de su sección (a)

9. Levantamos la altura del agua en el tubo de carga por encima del nivel de descarga del permeámetro.

10. Después de unos minutos medimos la altura de agua en el tubo de carga, esta será nuestra altura inicial (H1)

11. Después de un intervalo de tiempo conocido (Δt), medimos una nueva altura del agua en el tubo de carga, esta será nuestra altura de carga final (H2)

12. Se calculara en gabinete Vs, VT, e y K

9. RECOMENDACIONES

- Es conveniente que las muestras que se usen en las pruebas de permeabilidad sean pequeñas, ya que así se podrían realizar mayor número de pruebas en un menor lapso de tiempo, esto evitaría errores en los cálculos de la permeabilidad.

- En cuanto al uso de la carga variable este método es recomendable usarlo solo para suelos relativamente permeables, generalmente arenas y limos o una mezcla de ambos.

- Tener muy en cuenta la influencia en la permeabilidad, a causa de factores como: la relación de variación, la temperatura del agua, la estructura y estratificación del suelo y la existencia de agujeros, fisuras, etc., en el suelo.

10. BIBLIOGRAFIA

1. BOWLES, Joseph E. Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil. Editorial MC Graw-Hill Latino América S.A

2. BADILLO, Juárez y RODRIGUEZ, Rico. Mecánica de suelo, Tomo 1, Fundamentos de la mecánica de suelos. Editorial Linusa.

3. BOWLES, Joseph E. Propiedades Geofísicas de los suelos. Editorial MCGraw – Hill Latinoamérica S.A Bogotá – Colombia 1982.

4. ING. Genaro Humala Aybar, Mecánica de suelos I.

11. ANEXOS