1.5.

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD.

El ensayo determina el coeficiente de permeabilidad (K) de una muestra de suelo granular o cohesiva, entendiendo por permeabilidad, la propiedad de un suelo que permite el paso del agua a través de sus vacíos, bajo la acción de una carga hidrostática. No todos los suelos tienen la misma permeabilidad, de ahí que se los haya dividido en suelos permeables e impermeables, estos últimos son generalmente suelos arcillosos, donde la cantidad de escurrimiento del agua es pequeña y lenta. El grado de permeabilidad de un suelo, se mide por su coeficiente de permeabilidad, el cual se basa en la ley propuesta por Darcy en el Siglo XIX, la cual señala: V

=

K * i

donde: V = velocidad de escurrimiento de un fluído a través del suelo K = coeficiente de permeabilidad propio y característico i = gradiente hidráulico, el cual representa la relación entre la diferencia de niveles (H) y la distancia (L) que el agua recorre Independiente de lo anterior, existen factores que influyen en la permeabilidad de un suelo, como por ejemplo la viscosidad del fluído (varía según la temperatura), el tamaño, continuidad de poros y grietas a través de los cuales pasa el fluído o la presencia de discontinuidades. En laboratorio, la medida del coeficiente de permeabilidad se realiza por medio de permeámetros, los que pueden ser de nivel constante o nivel variable dependiendo del tipo de suelo analizado. La importancia de este coeficiente, es vital para poder determinar por ejemplo: la capacidad de retención de aguas de presas o embalses de tierra, la capacidad de las bombas para rebajar el nivel freático en una excavación y para poder determinar la velocidad de asentamiento de una estructura al escurrir el agua, entre otros. 1.5.1. Método para suelos ensayo de nivel de agua granulares (arenas) y se mantener el nivel de esta

granulares. Este método se conoce como constante, se aplica generalmente a suelos consume una cantidad grande de agua para en forma constante.

- Equipo necesario. -

Aparato de permeabilidad, con conexiones y válvulas de paso para poder saturar la muestra de ensaye (figura 1.19.). Cilindro graduado. Recipiente graduado de 500 a 1000 ml. de capacidad. Herramientas y accesorios. Cronómetro, recipientes plásticos y termómetro.

Figura 1.19. Permeámetro de nivel de agua constante. Fuente: Bowles J., 1982. -

Procedimiento. Se determina el peso y volumen del permeámetro a utilizar. Luego, se vacía la muestra en estado suelto dentro del molde y se compacta, ya sea sometiéndola a algún tipo de vibración o bien, mediante un pisón compactador. Del suelo restante, se toman dos muestras representativas para determinar la humedad (w). Finalizada la compactación, se enrasa la superficie, se coloca un disco de papel filtro sobre la muestra y luego un empaque de caucho sobre el borde del molde para ajustar la tapa de este. Se sumerge el permeámetro en un estanque con agua, por lo menos 5 cm. bajo el nivel de ésta, con las válvulas de entrada y salida de agua abiertas de modo de poder saturar la muestra durante un período de tiempo de 24 horas. Finalmente se cierran las válvulas y se saca el permeámetro del estanque. Retirado el permeámetro, se conecta el tubo de entrada de éste a una tubería vertical conectada a su vez a un recipiente de nivel de agua constante. Se desairean las líneas de entrada a la muestra,

abriendo simultáneamente las válvulas de entrada y drenaje (salida), hasta remover todo el aire que pueda encontrarse atrapado. A continuación, se cierran las válvulas y se mide la altura del nivel de agua (H). En la boca de salida del permeámetro, colocar el recipiente graduado para recibir el agua escurrida. Luego, abrir simultáneamente las válvulas de entrada, salida y suministro de agua junto con accionar el cronómetro. Registrar el tiempo necesario (seg.) para almacenar entre 750 y 900 ml. de agua y medir la temperatura de ésta. Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando como tiempo de ensayo, el obtenido durante la primera medición. - Cálculos. -

Calcular el factor de corrección de temperatura viscosidad del agua a Tº de 20º C, mediante expresión: fc

γt / γ20

=

donde γt γ20 γt / γ20 -

(fc) para la la siguiente

: = viscosidad del agua a Tº x = viscosidad del agua a Tº de 20º C = valor obtenido de la tabla de la figura 1.20.

Calcular el coeficiente de permeabilidad (K) deducido a partir de la ley de Darcy, mediante la siguiente expresión: K = q / ( i * A * t ) ( cm/seg ) donde: q = cantidad de agua escurrida en un tiempo t (cm3) i = gradiente hidráulico (H/L) A = área de la sección de muestra ensayada (cm2) t = tiempo de ensayo (seg.)

-

Calcular el coeficiente de permeabilidad a temperatura estándar de 20º C (K20), mediante la siguiente expresión: K20

-

=

K * fc

( cm/seg )

Si se conoce el valor de la gravedad específica del suelo analizado, determinar la relación de vacíos (e) según la densidad del suelo y calcular la velocidad aproximada de escurrimiento del agua (Va), mediante la siguiente expresión: Va

=

( ( 1 + e ) * V ) / e

( cm/seg )

º C

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

10

1,301 1 , 22 6 5

1,297 1 , 26 6 1

1,294 1 , 20 5 8

1,290 1 , 23 5 4

1,286 1 , 27 5 1

1,283 1 , 21 4 7

1,279 1 , 25 4 4

1,275 1 , 29 4 0

1,272 1 , 22 3 7

1,268 1 , 26 3 3

0

5

0

5

0

6

1

6

1

6

11

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

1,230 1 , 11 9 6

1,226 1 , 18 9 3

1,223 1 , 14 9 0

1,220 1 , 11 8 7

1,216 1 , 18 8 4

1,213 1 , 15 8 1

1,210 1 , 11 7 7

1,206 1 , 18 7 4

1,203 1 , 15 7 1

1,200 1 , 11 6 8

1 , 18 6 5 1 , 11 3 4

1 , 16 6 2 1 , 11 3 1

1 , 15 5 9 1 , 10 2 8

1 , 13 5 6 1 , 10 2 6

1 , 11 5 2 1 , 19 2 3

1 , 10 4 9 1 , 19 2 0

1 , 17 4 6 1 , 19 1 7

1 , 16 4 3 1 , 18 1 4

1 , 14 4 0 1 , 18 1 1

1 , 13 3 7 1 , 17 0 8

1 , 17 0 4 1 , 06 7 7

1 , 18 0 2 1 , 08 7 4

1 , 09 9 9 1 , 09 7 2

1 , 00 9 7 1 , 01 6 9

1 , 01 9 4 1 , 03 6 6

1 , 02 9 1 1 , 05 6 4

1 , 02 8 8 1 , 07 6 1

1 , 03 8 5 1 , 09 5 8

1 , 04 8 0 1 , 03 5 6

1 , 05 8 0 1 , 02 5 3

1 , 04 5 0 1 , 07 2 4

1 , 07 4 8 1 , 00 2 2

1 , 00 4 5 1 , 04 1 9

1 , 03 4 2 1 , 09 1 7

1 , 07 4 0 1 , 03 1 4

1 , 00 3 5 1 , 07 1 2

1 , 03 3 5 1 , 01 0 9

1 , 06 3 2 1 , 05 0 7

1 , 00 3 0 1 , 00 0 5

1 , 03 2 7 1 , 04 0 2

1 , 08 0 0 0 , 90 7 6

0 , 93 9 7 0 , 96 7 3

0 , 98 9 5 0 , 92 7 1

0 , 94 9 2 0 , 98 6 9

0 , 99 9 0 0 , 94 6 6

0 , 94 8 8 0 , 91 6 4

0 , 99 8 5 0 , 97 6 2

0 , 94 8 3 0 , 93 6 0

0 , 90 8 0 0 , 99 5 7

0 , 95 7 8 0 , 95 5 5

0 , 91 5 3 0 , 91 3 1

0 , 98 5 0 0 , 99 2 9

0 , 95 4 8 0 , 97 2 6

0 , 92 4 6 0 , 95 2 4

0 , 99 4 4 0 , 93 2 2

0 , 96 4 2 0 , 91 2 0

0 , 93 3 9 0 , 99 1 8

0 , 90 3 7 0 , 97 1 6

0 , 97 3 5 0 , 95 1 4

0 , 94 3 3 0 , 93 1 1

0 , 91 0 9 0 , 87 8 9

0 , 90 0 7 0 , 87 8 7

0 , 98 0 5 0 , 86 8 5

0 , 97 0 3 0 , 86 8 3

0 , 95 0 1 0 , 85 8 1

0 , 84 9 9 0 , 85 7 9

0 , 83 9 7 0 , 85 7 7

0 , 81 9 5 0 , 84 7 5

0 , 80 9 3 0 , 84 7 3

0 , 88 9 1 0 , 83 7 1

0 , 83 6 9 0 , 84 5 0

0 , 83 6 7 0 , 85 4 8

0 , 83 6 5 0 , 86 4 6

0 , 83 6 3 0 , 86 4 4

0 , 83 6 1 0 , 87 4 2

0 , 84 5 9 0 , 88 4 1

0 , 84 5 7 0 , 89 3 9

0 , 84 5 6 0 , 80 3 7

0 , 84 5 4 0 , 80 3 5

0 , 84 5 2 0 , 81 3 3

0 , 82 3 1 0 , 88 1 3

0 , 84 3 0 0 , 80 1 2

0 , 85 2 8 0 , 82 1 0

0 , 87 2 6 0 , 84 0 8

0 , 88 2 4 0 , 86 0 7

0 , 80 2 2 0 , 89 0 5

0 , 82 2 1 0 , 81 0 3

0 , 83 1 9 0 , 83 0 1

0 , 85 1 7 0 , 85 0 0

0 , 86 1 5 0 , 77 9 8

0 , 79 9 6 0 , 77 8 0

0 , 72 9 5 0 , 70 7 8

0 , 75 9 3 0 , 74 7 6

0 , 77 9 1 0 , 77 7 5

0 , 70 9 0 0 , 71 7 3

0 , 73 8 8 0 , 74 7 2

0 , 76 8 6 0 , 77 7 0

0 , 79 8 5 0 , 71 6 8

0 , 71 8 3 0 , 74 6 7

0 , 74 8 1 0 , 78 6 5

0 , 71 6 4 1

0 , 75 6 2 6

0 , 79 6 1 0

0 , 73 5 9 5

0 , 77 5 7 9

0 , 71 5 6 4

0 , 75 5 4 8

0 , 79 5 3 3

0 , 73 5 1 7

0 , 77 5 0 2

Figura 1.20. Tabla de densidad del agua según su temperatura. Fuente: Bowles J., 1982. 1.5.2. Método para suelos finos. Este método se conoce como ensayo de nivel de agua variable, se aplica generalmente a suelos fino arcilloso o limo arcilloso. El ensayo en sí es de larga duración, ya que generalmente la cantidad de flujo que atraviesa la muestra es muy pequeña. -

Equipo necesario. Idénticos a los del método anterior, más una bureta graduada con soporte de modo que se mantenga en forma vertical (figura 1.21.).

-

Procedimiento. Se prepara la muestra de la misma forma que para el método anterior. Retirado el permeámetro del estanque, se conecta el tubo de entrada a la bureta, se llena esta con agua y se registra la altura inicial de carga de agua (h1). Se abren simultáneamente las válvulas de entrada y salida junto con accionar el cronómetro, para dar comienzo al escurrimiento del flujo de agua, hasta que la bureta se encuentre casi vacía. Finalmente, se cierran las válvulas y se registran el tiempo transcurrido y la altura final de agua (h2). Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando los mismos valores de h1 y h2, teniendo la precaución de que el agua se mantenga a una misma temperatura durante todas las mediciones.

Figura 1.21. Permeámetro agua variable. Fuente: 1982.

de nivel de Bowles

J.,

- Cálculos. -

Calcular el factor de corrección de temperatura (fc) para la viscosidad del agua a Tº de 20º C, igual que en el método anterior.

-

Calcular el coeficiente siguiente expresión: K

=

de

permeabilidad

( a * L * Ln ( h1 / h2 ) ) / ( A * t )

donde: a =

(K),

mediante

( cm/seg )

área de la sección transversal de la bureta (cm2)

la

L = A h1 = h2 = t = Ln= -

1.5.3.

altura de la muestra de suelo (cm.) = área de la sección de muestra ensayada (cm2) altura de agua al comienzo del ensayo (cm.) altura de agua finalizado el ensayo (cm.) tiempo de ensayo (seg.) logaritmo natural

Calcular el coeficiente de permeabilidad a temperatura estándar de 20º C (K20) y la velocidad aproximada de escurrimiento del agua (Va), de acuerdo a los cálculos del método anterior, mediante las siguientes expresiones: = K * fc ( cm/seg ) K20 Va = ( ( 1 + e ) * V ) / e ( cm/seg )

Observaciones generales a los métodos descritos.

-

Se utiliza frecuentemente como permeámetro, el molde patrón de compactación de 944 cm3, no obstante, la posibilidad de ocupar otros aparatos como por ejemplo de tubería plástica que pueden fabricarse en laboratorio y son relativamente baratos, también es aceptada.

-

En vez de usar como filtros los discos circulares, como alternativa se pueden utilizar piedras porosas o colocar una cama de arena protegida con una fina malla de hule.

-

En ensayos de larga duración, es necesario controlar la evaporación de agua del recipiente o de la tubería de entrada, por lo que se recomienda realizar los ensayos dentro de un salón de temperatura y humedad controlada.

-

Los resultados de laboratorio pueden no corresponder a los verdaderos valores de terreno debido a la influencia de numerosos factores, como por ejemplo que la estructura in situ es distinta a la del ensayo, el gradiente hidráulico es mayor que el de terreno, puede existir evaporación o haber filtraciones de agua en el equipo.

-

En la tabla de la figura 1.22. se indican algunos valores típicos de permeabilidad de suelos según Terzaghi y Peck.

Permeabilidad relativa Muy permeable

Valores de K ( cm/seg ) > 1 * 10

Suelo típico

-1

Grava gruesa

1 * 10

-1

a 1 * 10

-3

Poco permeable

1 * 10

-3

a 1 * 10

-5

Arena limosa, arena sucia

Muy poco permeable

1 * 10

-5

a 1 * 10

-7

Limo y arenisca fina

Moderadamente permeable

Impermeable

< 1 * 10

-7

Arena, arena fina

Arcilla

Figura 1.22. Tabla de valores relativos de permeabilidad. Fuente: Terzaghi K. y Peck R., 1980. -

En terreno existen varios métodos para determinar el coeficiente de permeabilidad, entre los cuales se encuentran: -

instrumentos eléctricos que aplican el fenómeno de la electroosmosis,

-

mediciones indirectas a través del ensayo de consolidación o

-

medición por introducción de un tubo de diámetro conocido en el terreno (secuencia de ensayo en la figura 1.23.).

Figura 1.23. Secuencia de una medición in situ. Fuente: ELE Internacional Ltda., 1993.

UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo :

Método nivel de agua constante Datos de la muestra Volumen ( cm3 ) : Area ( cm2 ) : Densidad ( grs / cm3 ) :

Diámetro ( cm ) : Altura ( cm ) : Peso ( grs ) :

Datos del ensayo Altura nivel de agua ( cte ) = Nº Tiempo ( segundos ) 1 2 3 4 5 Promedio

KT = ηT / η20 = k20 =

Observaciones :

cm. Volumen agua drenado ( cc )

Tº del agua ( º C )

UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo :

Método nivel de agua variable

Datos del ensayo 2

Area de la tubería = cm Nº Altura inicial ( hi ) 1 2 3 4 5 Promedio

KT = ηT / η20 = k20 =

Observaciones :

Altura final ( hf )

Tiempo ( seg )

Volumen agua ( cc Tº agua (º C ) )