UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE GUERRERO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA

SEMINARIO DE TITULACIÓN ENERO-ABRIL 2015

TALLER: FUNDAMENTO RACIONAL PARA EL DISEÑO DE FILTROS M. en C. ADELFO MORALES LOZANO

Chilpancingo, Gro. 31 Enero 2015 25/01/2015

1

CONSTITUCIÓN DE CAPA SEDIMENTARIA CONTINENTAL DE LA CORTEZA TERRESTRE CAPA SEDIMENTARIA CONTINENTAL

CORTEZA CONTINENTAL O CAPA GRANITICA CORTEZA OCEÁNICA O CAPA BASALTICA

OCEÁNO

MANTO

 Los materiales que constituyen la capa sedimentaria continental de la corteza terrestre son clasificados por el ingeniero civil en forma arbitraria en dos categorías:

roca y suelo  Roca: Es un agregado natural de partículas minerales unidas por fuerzas competentes, poderosas y permanentes.  Suelo: Es una delgada capa de la corteza terrestre de agregado natural de partículas minerales separables que provienen de la desintegración y/o alteración física y/o química de las rocas y de los residuos de la actividad de los seres vivos que sobre ella se asientan.

IDENTIFICACIÓN SUELOS UTILIZADOS POR EL INGENIERO CIVIL EN CUANTO AL TAMAÑO DE SUS PARTÍCULAS  SUELOS GRUESOS O FRICCIONANTES  GRAVA: Fragmentos de roca de más de 4.76 mm de   



diámetro hasta 76 mm. ARENA: Partículas finas producto de la denudación de rocas y trituración artificial, cuyas partículas varían de 4.76 mm a 0.074 mm de diámetro. SUELOS FINOS O COHESIVOS LIMOS: Pueden ser orgánicos con poco o ninguna plasticidad o inorgánicos con características plásticas, cuyo diámetro de partículas esta comprendido entre 0.05 mm y 0.002 mm. ARCILLAS: Son partículas sólidas (microscópicas) con diámetro menor de 0.002 mm (0.05 micras a 3 micras) y cuya masa tienen la propiedad de volverse plástica al ser remoldeada y mezclada con agua.

IDENTIFICACIÓN SUELOS UTILIZADOS POR EL INGENIERO CIVIL EN CUANTO AL TAMAÑO DE SUS PARTÍCULAS

*Las partículas menores que la arena fina no se pueden distinguir a simple vista a distancia de 20 cm

SISTEMA DE IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN SUCS DE LABORATORIO SUELO GRUESO

SISTEMA DE IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN SUCS DE LABORATORIO SUELO GRUESO

SISTEMA DE IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN SUCS DE LABORATORIO PARA SUELO FINO MEDIANTE LA CARTA DE PLASTICIDAD

.

PLASTICIDAD Y COMPRESIBILIDAD DE LO SUELOS FINOS BAJA

60

MEDIA

MUY ALTA

LINEA "B" con ecuación LL=50

50

Indice Plástico: (%).

ALTA

CH

40

LINEA "A" con ecuación LL=0.73(LL-20)

CL 30

(50,22) 20

MH OH ML OL

10 CL-ML ML

(20,0)

0 0

10

20

30

40

50

60

Límite Líquido: (%)

70

80

90

100

.

El SUCS la adoptó la Carta de Plasticidad, para identificar la fracción fina de la siguiente manera:

1.Si el suelo es GRUESO: La característica de plasticidad se da por la posición del suelo, arriba o abajo de la “Linea A”. Abajo: agregar M Arriba: agregar C En general con porcentaje de finos ≥5% Con porcentaje de finos comprendidos entre 5%-12%), (Gravas caso dual y Arena caso dual). GW-GM; GP-GM; GW-GC; GP-GC SW-SM; SP-SM; SW-SC; SP-SC o con finos ≥12% (Gravas con finos y Arenas con finos). GM; GC SM; SC

2. Si el suelo es FINO: La identificación y clasificación se da por la posición del suelo dentro de la Carta de Plasticidad (en zonas donde existen dos posibilidades, Se atiende a su descripción,: Inorgánico M Formando ML,; MH Orgánico: O Formando OL; OH

CARACTERÍSTICAS DE UTILIZACIÓN DE LOS SUELOS GRUESOS, AGRUPADOS SEGÚN SUCS

CARACTERÍSTICAS DE UTILIZACIÓN DE LOS SUELOS FINOS, AGRUPADOS SEGÚN SUCS

Coeficiente de permeabilidad k en cm/seg (Según Casagrande y Fadum). 2

10

-1

10

1.0

Drenaje

-2

10

10

-3

10

10

-4

Bueno

Tipo

Grava

de

limpia

-5

10

-6

10

Pobre

Arenas limpias y mezclas de arena y grava

suelo

-7

10

-8

10

-9

10

Prácticamente impermable

Arenas muy finas, limos

Suelos impermeables:

orgánicos e inorgánicos,

arcillas homogéneas

mezclas de arena limo y

situadas por debajo de la

arcilla.

zona de descomposición.

Suelos impermeables modificados por la vegetación o descomposición.

Ensayo directo del suelo " in-situ" por ensayos de bombeo. Se requiere mucha Determinación directa de k.

experiencia, pero bien realizados son bastante exactos. Permeámetro de carga constante

.

No se requiere mayor experiencia. Permeámetro de carga variable. No se requiere experiencia, Determinación indirecta de k.

buenos resultados.

Permeámetro de carga variable. Resultados dudosos. Se requiere mucha experiencia.

Permeámetro de carga variable .

Resultados de regular a bueno. Se requiere mucha experiencia.

Por cálculo partiendo de la

Cálculos basados en los

curva granulométrica. Sólo

ensayos de consolidación.

aplicable en el caso de arenas

Resultados muy buenos.

y gravas limpias sin cohesión.

Se necesita experiencia.

GUÍA PARA USAR EN ESTUDIOS PRELIMINARES PARA DESCRIBIR LA PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS (según Terzaghi y Peck)

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS SEGÚN SU COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

POTENCIALIDAD DE DRENAJE DE LOS SUELOS (SUCS)

Vado

Alcantarilla de loza Tubos

Puente-vado Puentes

Cunetas

Bajadas

Alcantarilla de tubo Contracunetas

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO. El suelo seco, tiene un peso total de 18.715 kg. Se sometió a un tamizado por mallas arrojando los siguientes retenidos de la malla 3” a la malla 4.

De los 6575 gr. que pasaron la malla 4, se tomaron 200 gr., para obtener los retenidos de la malla 10, a la malla 200, teniéndose lo siguiente:

3" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 1/2"3/8"

4

10

20

40

60

100

200

Porcentaje que pasa, menor que dicho diámetro: %

100 D60=16.265 mm D30=2.253 mm D10=0.1097 mm Cu=D60/D10=16.265mm/0.1097mm=148 Cc=(D30)2/D60D10 Cc=(2.252mm)2/(16.265mm)(0.1097mm)=2.78

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 70 50 40 30

20

10 8 7 6 5 4

3 2 1 0.7 0.5 0.3 0.2 Diámentro particulas: D, mm

Aplicando el criterio de Hazen, adoptado por el SUCS para Gravas: Si el suelo predominante en porcentaje en peso es Grava, se denominará: Grava bien graduada si cumple: Cu>4 y 1 ≤ Cc ≤ 3 Si cumple alguna ó ninguna condición se denominará Grava mal graduada Nuestro caso resultó: GRAVA BIEN GRADUADA caso dual (al cumplirse Cu y Cc ) Faltando revisar la característica de plasticidad: pudiendo ser GW-GM ó GW-GC

0.1 0.070.05 0.03 0.02

0.01

DISEÑO DE FILTROS

REQUERIMIENTOS PARA PREVENCIÓN DE LA EROSIÓN INTERNA Y DE LA TUBIFICACIÓN PRIMERA REGLA: Evitar la tubificación y la erosión interna es evitar que las partículas del suelo queden expuestas a espacios abiertos cuyo tamaño sea mayor que ellas mismas (se forman tubos en el suelo por la fuerza hidrodinámica del agua).

SEGUNDA REGLA: Sellado de cualesquiera grietas, juntas de construcción, contacto entre materiales diversos, etc., que pueda haber entre los elementos estructurales de que se haga uso en el drenaje general, tales como ductos y alcantarillas; por una grieta mal sellada pueden ocurrir infiltraciones muy serias bajo gradientes hidráulicos muy elevados, como consecuencia de las cuales se llegan a formarse grandes socavones que hacen inútil la presencia de cualquier filtro.

CRITERIOS DE TIPO GRANULOMÉTRICO CON BASE EN LA EXPERIENCIA D. W. Taylor (1948) mostró que si tres esferas tienen un diámetro D igual o mayor a 6.5d, siendo d el diámetro de la esfera más pequeña D≥6.5d La esfera con diámetro d, pasa libremente entre sus vacíos.

D

D

d

D

Si los vacios en los filtros son suficientemente pequeños para impedir el movimiento a su través de una partícula cuyo tamaño sea D85 del suelo por proteger, se acepta con base en la experiencia que todo el suelo por proteger será debidamente retenido en su posición. En otras palabras, se considera tolerable que un 15% en peso del suelo por proteger tenga tamaño menor que los vacíos que dejen entre sí las partículas del filtro.

REQUERIMIENTOS CONTRADICTORIOS QUE DEBEN SATISFACER LOS FILTROS Investigaciones de Bertram en Harvard (1940) dirigidas por Terzaghi y Casagrande, establecieron en forma experimental que para relacionar el material de filtro con el material por proteger mediante. CRITERIO CONTRA TUBIFICACIÓN: Los espacios entre las partículas del filtro en contacto con el suelo por proteger deben de ser lo suficientemente pequeños como para que los finos de aquél no penetren en él.

CRITERIO DE PERMEABILIDAD: En general debe buscarse que los filtros sean por lo menos 20 ó 25 veces más permeables que el suelo por proteger Los espacios entre las partículas del filtro deben de ser lo suficientemente grandes como para que el conjunto tenga la permeabilidad necesaria para que el agua pueda moverse libremente a su través y fluir rápidamente hacia el exterior, sin generar presiones de poro indeseables.

Ambos criterios se pueden enunciar de la forma

Estos trabajos fueron verificados por investigación experimental por el U:S: Army Corps of Engineers (1941)y por el U:S: Bureau of Reclamation (1955), y como consecuencia de tales estudios surgieron algunas normas adicionales para prevenir la migración del suelo por proteger al filtro,. El U:S: Army Corps of Engineers estableció que para la mayoría de los casos se seleccionó al número 5, ya que el número 4, es muy conservador, quedando:

Además el U:S: Bureau of Reclamation (1955), recomendó que las curvas tiendan a ser sensiblemente paralelas mediante y satisfacer:

Sherard añade la recomendación o precaución de que cuando el suelo por proteger contiene abundante grava, la curva granulométrica a tomar en cuenta en la aplicación de las relaciones anteriores es la del material menor de una pulgada (2.5 cm), eliminando el de mayor tamaño. REQUERIMIENTO DE SEGREGACIÓN DURANTE LA COLOCACIÓN: Un peligro siempre presente en la construcción de filtros es el cambio de las características granulométricas de cualquier mezcla por segregación durante la colocación. Para evitar este peligro, el Coeficiente de Uniformidad

TALLER DISEÑO DE MATERIAL DE FILTRO

Una zanja está en un material que tiene la siguiente granulometría.

Diseñe el material de filtro para rellenar la zanja como dren. A continuación se presentan las granulometrías de BANCOS DE MATERIAL disponibles, con las siguientes datos:

¿Qué porcentaje combinaría y en que proporción de los bancos que usted elija?

ELABORACIÓN DE GRANULOMETRÍA DE MATERIAL DE FILTRO A PARTIR DE GRANULOMETRÍA MATERIAL DE BANCOS. Usando literales, podemos escribir la expresión aplicable a cualquier tamizado, consideremos dos materiales, donde llamaremos: a y b: porcentajes que pasa en peso, en mallas correspondiente a cada material.

A y B: Porcentajes para los cuales se va a afectar las granulometrías de los materiales, debiendo cumplir la condición tal que A+B=100 T1 y T2: Porcentaje en peso parcial, para los cuales se va a afectar las granulometrías de los materiales T : Porcentaje en peso, de granulometría combinada resultante. (1) Donde el porcentaje parcial correspondiente a cada material será: (2)

Llevando (2) y (3) en (1). (3)

En forma generalizada la expresamos

(4)

La expresión (4) puede ser expandida para n número de materiales (5) Satisfaciendo la condición (6) Como ejemplo se muestra un cálculo para un tanteo (ensayo y error), donde se propone que: A=70% y B=30%, donde la última columna es el resultado de aplicar la expresión (4): 0.70 a +0.30 b = T

FILTROS EN ARCILLAS FRANCAS Los criterios anteriores difícilmente garantizan protección a las arcillas de alta plasticidad, que en general requerirán filtros de varias capas. Aplicando sucesivamente

Para estos suelos el D15 del Filtro, suele ser del orden de 0.4 mm., y el criterio expresado por

¡No se considera aplicable!

Pero en tal caso deberá colocarse un material bien graduado, que no se segregue y con un Coeficiente de Uniformidad menor que 20

PREVENCIÓN DE LA OBSTRUCCIÓN DE PERFORACIONES EN TUBERÍAS O DE FUGAS DE PARTÍCULAS FINAS DEL FILTRO A TRAVÉS DE ELLAS. En los sistemas de subdrenaje es muy frecuente que en el interior de los filtros haya tubería perforada con huecos circulares o ranurados, con el objeto de recolectar y eliminar rápidamente las aguas. Se plantea la necesidad de que el material del filtro sea lo suficientemente grueso como para que no se fugue a través de tales perforaciones y para que no las obstruya. El U:S: Army Corps of Engineers propone:

El U:S: Bureau of Reclamation recomienda:

PARA RANURAS:

PARA PERFORACIONES CIRCULARES

Como se ve, no existe una concordancia plena entre los diversos criterios recomendados por quienes han hecho trabajo experimental. Por otra parte, las discrepancias entre las recomendaciones anteriores no son significativas. Cualquiera de las reglas anteriores garantiza el funcionamiento adecuado, sin que el material de filtro se fugue por las perforaciones del tubo.

FILTROS DE GRAVA EN POZOS DE BOMBEO

Es el material colocado entre la rejilla o tubo perforado y el suelo del acuífero. Dicho material se forma con gravas con una granulometría seleccionada. En general se justifica la colocación del filtro: Para estabilizar acuíferos constituidos por arenas finas y uniformes y evitar que dicha arena pueda ser acarreada por el agua a bombear. En acuíferos formados por areniscas pobremente cementadas En formaciones muy estratificadas que alternan capas delgadas de material fino, entrefino y grueso. Si el agua del acuífero es muy incrustante. El espesor del filtro debe ser de 8 a 20 cm. Los 8 cm. Asegura el funcionamiento efectivo del filtro; y los 20 cm. Se dan para evitar la perforación con diámetros grandes y dificultades en el desarrollo del pozo; además, espesores mayores no mejoran la eficiencia del filtro. Para colocar el filtro, se debe perforar con mayor diámetro en la zona del ademe ranurado y después colocar dicho ademe, se rellena el espacio entre la formación y el ademe ranurado con grava; después se cementa la parte superior de la tubería del ademe.

FLUJO HACIA ADEMES RANURADOS EN POZOS DE BOMBEO

Para el diseño de la granulometría del filtro en pozos de bombeo se recomienda seguir

MÉTODO DE JOHNSON.

1) Se elaboran las curvas granulométricas de cada estrato de los acuíferos en la zona donde estará el ademe ranurado. 2) Se escoge el estrato formado por el material más fino. De la curva granulométrica de ese estrato se determina el D30 del Suelo, esto es, el diámetro para el cual el 30 por ciento de las partículas (en peso) son menores que ese diámetro. 3) Se multiplica dicho diámetro por 4 si el material del acuífero es fino y uniforme, por 6 cuando es más grueso y no uniforme y por un número entre 6 y 9 si dicho material es muy poco uniforme y contiene limo. 4) El valor así obtenido representa el D30 del filtro de grava. Se dibuja este punto en papel semilogarítmico con los porcentajes en el eje (lineal) vertical y los diámetros en el (logarítmico) horizontal. 5) Con ese punto se pivotea pasando una recta de forma tal que D60/D10≥2.5. Esta recta abarca de D10 al D90. 6) Las colas de la distribución se dibujan paralelas a las de la distribución del material del acuífero. 7) La abertura del ademe se diseña con el tamaño del D10 esto es, el ademe ranurado retendrá el 90 por ciento de las partículas del filtro.

GRACIAS POR SU COLABORACIÓN Y ATENCIÓN