permeabilidad y de capilaridad de los suelos

8/10/2019 permeabilidad y de capilaridad de los suelos

1/40

Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Ingeniera Civil

INDICE

I. INTRODUCCIN.

II. OBJETIO!

III. CONTENIDO

".#. PROPIED$DE! %IDR$&'IC$! DE' !UE'O

".#.#. E' $GU$ EN E' !UE'O.".#.#.#. $GU$ (RE)TIC$.".#.#.*. $GU$ GR$IT$CION$'.".#.#.". $GU$ RETENID$.

".#.*. C$PI'$RID$D.".#.*.#. TEN!IN !UPER(ICI$'.".#.*.*. (EN+ENO C$PI'$R.".#.*.". CONTR$CCIN , C$+BIO DE O'U+EN.".#.*.-. (UER$! DE (I'TR$CIN , CONDICIONE! DE 'ICU$CIN.

CONDICIN DE 'ICU$CIN P$R$ $REN$!".#.*./. PRE!IN DE (I'TR$CIN , 'E$NT$+IENTO DE UN

E!TR$TO DE $RCI''$.

".#.". PER+E$BI'ID$D".#.".# GR$DIENTE %IDR)U'ICO.".#.".*. 'E, DE D$RC,.".#.".". COE(ICIENTE DE PER+E$BI'ID$D.

".#.".-. ($CTORE! 0UE IN('U,EN EN '$ PER+E$BI'ID$D DE'O! !UE'O!.

".#.-. PRUEB$! DE PER+E$BI'ID$D.".#.-.#. PER+E)+ETRO DE C$RG$ CON!T$NTE.".#.-.*. PER+E)+ETRO DE C$RG$ $RI$B'E.

I. PROB'E+$!

-.#. PROB'E+$! DE C$PI'$RID$D.-.*. PROB'E+$! DE PER+E$BI'ID$D.

. EN!$,O! DE '$BOR$TORIO

E1PERI+ENTO N2 #COE(ICIENTE! DE PER+E$BI'ID$D3 +ETODO DE C$BE$ CON!T$NTE

E1PERI+ENTO N2 * COE(ICIENTE! DE PER+E$BI'ID$D3 +ETODO DE C$BE$ $RI$B'E

VI. CONC'U!IONE!.

II. RECO+END$CIONE!III. BIB'IOGR$(4$

+ec5nica de !uelos I # de -6


2/40


I. INTRODUCCIN.

El suelo como ya se estudio, sobre la clasificacin y limites de consistencia

es un material con arreglo variable de sus partculas que dejan entre ellas

una serie de poros conectados unos con otros para formar una compleja red

de canales de diferentes magnitudes que se comunican tanto con la

superficie del terreno como con las fisuras y grietas de la masa del mismo.

En el estudio ya de las propiedades hidrulicas reflejan las caractersticas

generales de un suelo dado, que sirven para indicar hasta que punto un

suelo de distintos orgenes, pueden ser similares o no serlo sirven adems

de base para registrar la eperiencia constructiva y para ser utili!ado en

obras de construcciones futuras. "ero se debe tambi#n reconocer que la

ingeniera civil no alcan! mayor progreso hasta que el c$mulo de

eperiencias adquirida no fue fertili!ada con el aporte de la ciencia

aplicada, que tubo por funcin revelar las relaciones eistentes entre los

fenmenos y sus causas, estas relaciones fue indispensable investigar las

propiedades fsicas de los diferentes tipos de suelos de ellos las ms

importantes son la permeabilidad, la capilaridad, la comprensibilidad y la

resistencia.

En nuestro caso trataremos sobre la permeabilidad y capilaridad de los

suelos.

%e dice que un material es permeable cuando contiene vacos continuos

tales vacos eisten en todos los suelos incluyendo las arcillas mas

compactos. &a permeabilidad de los suelos presenta un efecto decisivo

sobre el costo y las dificultades en muchas operaciones constructivas como

por ejemplo, las ecavaciones a cielo abierto en arena bajo agua o la

velocidad de consolidacin de un estrato de arcilla blanda bajo el peso de

un terrapl#n.

'asta la permeabilidad de un hormign denso o de una roca sana puede

tener importancia prctica ya que el agua ejerce presin sobre el material

poroso a trav#s del cual circula y esta presin se conoce con el nombre de

presin de filtracin.

+ec5nica de !uelos I * de -6


3/40


El concepto generali!ado y errneo de que la arcilla compacta y el

hormign denso son impermeables, se debe a que la cantidad de agua que

escurre a trav#s del material es tan peque(o.

)on respecto a la capilaridad es el ascenso que tiene un lquido al estar encontacto con las paredes de un tubo de dimetro peque(o. %i tomamos la

masa de un suelo, como un gran conjunto de poros, los cuales estn

comunicados, tendramos una gran red de tubos capilares, los cuales

permiten el efecto de capilaridad del agua fretica. En conclusin podemos

decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos

esfuer!os de tensin, los cuales generarn la compresin de este.

"ara que se presente la capilaridad del agua fretica en un suelo, se debetener en cuenta que el suelo debe ser fino, para poder que los poros que

haya entre las partes slidas del suelo, sea tan peque(o como un tubo

capilar. %i tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producir el

fenmeno de capilaridad, haciendo as estos suelos gruesos muy apetecidos

en la construccin cuando se tienen niveles freticos altos.

+ec5nica de !uelos I " de -6


4/40


II. OBJETIO!

)omprender los significados de permeabilidad y de capilaridad de los

suelos y sus aplicaciones en la ingeniera en el campo de

cimentaciones.

Establecer las diferencias eistentes entre la permeabilidad de un suelo

a diferentes lquidos.

*elacionar la permeabilidad con otras propiedades fsicas de la

mecnica de suelos.

+prender a diferenciar suelos a partir de las propiedades hidrulicas.

eterminar el coeficiente de permeabilidad mediante el ensayo de

permemetro a carga constante

+ec5nica de !uelos I - de -6


5/40


III.CONTENIDO

".# PROPIED$DE! %IDR$&'IC$! DE' !UE'O

".#.*.E' $GU$ EN E' !UE'O.

En mecnica de suelos la presencia del agua en la masa del suelo, esuna de las consideraciones de mayor importancia por los efectos de laspropiedades de ingeniera del suelo.

El cambio de estado y comportamiento depende del contenido dehumedad o agua - como se ha visto en los /limites de +tterberg0.&os suelos cohesivos, cuando estn secos - 1 2 son muy duros,frgiles y tienden a contraerse, en cambio los suelos sin cohesin varandesde moldeables, desmoronables en los estados h$medo y secorespectivamente.

%on consideraciones del agua en el suelo3

El concepto del nivel fretico y el flujo de agua desde una energapotencial ms alta a una ms baja.

El suministro de agua y los po!os estn ntimamente ligados con elflujo de agua a trav#s del suelo.

El sub drenaje de carreteras es problema es problema de flujo de

aguas. &a accin del hielo en los suelos es un problema de flujo y

tambi#n depende de la accin capilar. El concepto de peso unitario sumergido o bayante y la p#rdida de

presin efectiva que ocurre debido a la presin de los poros delagua del suelo.

&os asentamientos por consolidacin y la epansin de las arcillasson problemas o condiciones del agua en el suelo.

En la prctica se dan muchas situaciones, en la que la utili!acin

adecuada de estos conceptos producir una buena solucin para que elsuelo y el lugar puedan ser usados.

*ecordemos que una de las fases del suelo es el agua que ocupa losvacos, despla!ando al aire o cualquier otro liquido o gas , es com$nque el suelo siempre tenga un contenido de agua - 4 si #sta eseliminada se tiene el suelo seco, las otras condiciones mas criticas essiempre en presencia del agua 4 el problema en la superficie de la lunaen sus suelos es el agua , que esta ausente donde el gas o suequivalente le da su comportamiento a las partculas del solid. Fig.1

+ec5nica de !uelos I / de -6


6/40


7/40


&a conductividad hidrulica ; es una propiedad importante de los suelosy su valor depende del tama(o de los poros, los cuales a su ve! estn enfuncin de la forma, tama(o y acomodo de las partculas del suelo.


8/40


materiales granulares, y los de nivel variable preferentemente paramateriales finos arcillosos o limo?arcillosos.

".#.#.*. $gua Gravi7acional.

En el movimiento del agua gravitacional influye poderosamente tanto laporosidad del suelo como sus caractersticas estructurales4 sinembargo, al movimiento de esta agua no se le puede aplicar la ley dearcy debido a la presencia de aire en los poros. )uando esta aguapueda llegar a afectar a las cimentaciones, se instalan drenesadecuados para captarla y alejarla.

".#.#.". $gua Re7enida.

En el diagrama del agua en el suelo mostrado al iniciar este captulo sepresent al agua retenida compuesta por agua retenida en fase lquiday agua retenida en fase de vapor. %e tratar aqu nada ms el aguaretenida en fase lquida, que ya se sabe est formada por aguacombinada qumicamente, por el agua adherida o higroscpica y por elagua de capilaridad.El agua qumicamente combinada, desde el punto de vista del

ingeniero, se considera como parte integrante de los slidos del suelo,ya que forma parte de la estructura cristalina de @2A minerales delmismo y es una cantidad muy peque(a. Esta agua no puede sereliminada del suelo si #ste se seca hasta @@2B), de ah la prctica desecar las muestras entre @2AB) y @@2B).El agua adherida o higroscpica es aquella que adquiere el suelo delaire que lo rodea. +s, si un suelo es secado en un horno a pesoconstante y se deja epuesto al aire mientras se enfra, dicho sueloabsorber agua de la humedad del aire que lo rodea. Esta aguahigroscpica del suelo y la cantidad de ella que el suelo puede adquirir

depende tambi#n del rea superficial de las partculas.El agua de capilaridad es aquella que se adhiere en los poros del suelopor el efecto de la tensin superficial.%i se introduce un tubo capilar en el agua de tal modo que al principioel etremo superior del tubo coincida con la superficie del agua y secomien!a a levantar el tubo, se podr observar que el menisco se vahaciendo ms curvo a medida que se vaya levantando el tubo,alcan!ando su mima curvatura cuando se tenga el valor mimo de latensin superficial desarrollada. Figura 4.El ascenso del agua dentro de los tubos de peque(o dimetro sobre lasuperficie libre del lquido es un fenmeno que se conoce como

capilaridad, y se debe a la eistencia de fuer!as de tensin capilar :dentro del tubo. El valor de la altura a que el agua asciende dentro del

+ec5nica de !uelos I = de -6


9/40


tubo viene dado por la frmula de equilibrio entre la tensin capilar yel efecto de la gravedad as3

cos..2.cos...g

T.Dwhc.pi.r2 rTsd ==

e donde3

cos..

.2hc.

rDw

Ts=

En la que3

>c1 +ltura de ascensin capilar en centmetros.Ts 1 :ensin superficial del lquido en gramos?fuer!a /dinas0 porcentmetro, y que para el agua tiene un valor de CA dinas /2.2CD gpor centmetro0.D?1 ensidad absoluta del agua, en g6cm5.r1 *adio del tubo capilar, en centmetros.1 8ngulo de contacto entre el menisco y la superficie interior deltubo.

&a epresin anterior alcan!a su valor mimo cuando el ngulo decontacto sea igual a cero, ya que cos/0 1 @, y entonces3

+ec5nica de !uelos I @ de -6


10/40


dr

30.015.0hc ==

%iendo del dimetro del tubo capilar y r su radio.El ascenso del agua por capilaridad en un suelo no es estrictamenteigual al caso visto de un tubo, pues los poros del suelo tienen tama(os yformas irregulares. %in embargo, la altura capilar en un suelo puedeestimarse por la siguiente ecuacin3

10.hc

De

N=

%iendo3

N1 )onstante emprica que depende de la forma de los granos y delas impure!as de sus superficies. El valor de V vara de 2. @ a 2.Acm9.e1 *elacin de vacos del suelo.D#61 imetro efectivo epresado en centmetros.

)omo puede observarse en la frmula anterior, la altura capilar esmayor a medida que los suelos son ms finos. e esto se desprende iaimportancia que tiene el drenaje cuando se trata de suelos finos, yaque en estos casos slo basta un peque(o tirante de agua en la base deun talud para humedecer, por capilaridad, una parte considerable delos terraplenes, disminuyendo la estabilidad de los mismos yfavoreciendo por tanto las fallas de los pavimentos.&a ascensin capilar en un suelo se mide por la altura eistente desdela fuente de abastecimiento de agua hasta donde llega la humedad, yesa altura est en ra!n inversa del dimetro de las partculas, y lavelocidad de ascensin est en ra!n directa del dimetro de laspartculas.


11/40


".#.*. C$PI'$RID$D.

".#.-.". TensiAn su;ericial.

)onceptos generales, acerca del fenmeno de tensin superficialdel suelo3

En la actualidad la teora de la membrana elstica no seacepta ni puede eplicar el fenmeno de tensinsuperficial de los lquidos.

&a causa de estos fenmenos, est en la atraccin entremol#culas.

%in embargo, mediante este concepto de tensinsuperficial se consiguen resultados cuantitativamente

eactos a pesar, que est casado en una imagen fsicaequivocada.

El $nico medio sencillo para llegar a estos valores, esusar esta imagen, como una presin capilar llamada enmecnica de suelos intergranular o de contacto o presinefectiva.

".#.-.-. (enAeno Ca;ilar.

El fenmeno capilar se basa en hiptesis simplificadas relativas a

la fsica y geometra del tubo capilar de agua. En la mayora delos tetos t#cnicos se consideran3

@. arsal /@HCH0 trata4 sobre el

+ec5nica de !uelos I ## de -6


12/40


ngulo de contacto y capilaridad en las propiedades de los sueloscompactados en el I ).".>.%.I.). vol. I. diceJK)uando se colocala gota de un lquido sobre la superficie seca de un slido,aquella primero se etiende despla!ando el gas hasta que seestable!ca el equilibrio, en esta condicin la gota tiene unaforma tpicaKJcomo en lafigura 8.

onde3 tensinlglquido?gasgsgas?slidoslslido?lquido

&a suma vectorial en + es3 cos.lg+= slgs

de donde3

lgcos

slgs= JJ../L0

%i anali!amos la ecuacinJ/L0lg es el esfuer!o que permite definir la forma del menisco, enlos casos, se tiene3

lg8gs3sl 'ay un flujo superficial es decir moja /agua0

gs8sl )orresponde al caso capilar de paredes de un tubo

+ec5nica de !uelos I #* de -6


13/40


3gl8gs3slEs el caso del mercurio

".#.-./. Con7racciAn Caio de oluen.

El cambio de volumen es un problema muy serio en los suelospues en cualquier parte son susceptibles de contraerse. &ossuelos cohesivos estn incluidos, siendo ms pronunciada enreas ridas a semi?ridas como el "er$, o donde el mineral de

arcilla >ontmorillonita y los ms activos no han sidosuficientemente meteori!ados presentando un estado menosactivo.&os suelos epansivos se caracteri!an por presentarse densos yduros, que a menudo es difcil o prcticamente imposible deobtener muestras con el tubo de pared delgada para ensayos delaboratorio.)asi siempre estos suelos contienen un laberinto de grietas decontraccin de ancho de unos mm hasta 9 a 5 cm que favorece lafiltracin superficial. %i las muestras para ensayos estnfisuradas, los ensayos pueden no tener valor prctico.

El problema de epansin puede evitarse solo en casos que3 El suelo puede ser confiablemente protegido contra

infiltracin de agua, secando con drenaje superficial o sub?perficial.

*ecursos paisajistas o utli!ando membrana impermeable/asfalto, tela plstica o geotetiles0.

El recurso es estabili!ar el suelo con3 aditivos qumicos/cemento, cemento?cal, cal?ceni!a, etc.0

%imple cubrimiento de un rea con una losa de piso o depavimento no controla la infiltracin, pues, el ahua tiende

a condensarse debajo de la losa en un periodo de variosa(os y saturar al suelo. El cambio de volumen est directamente relacionada con el

lmite de contraccin y un poco menos con los lmiteslquido y plstico.

Mactores como tipo de arcilla, sobrecarga, relacin de vacos,m#todo de saturacin y ambiente general producen un cambiomuy amplio en los parmetros del problema como para disponerde una respuesta pronta y directa.

+ec5nica de !uelos I #" de -6


14/40


".#.-.:. (uerzas de (il7raciAn Condiciones de 'icuaciAn.

En base a los diagramas de presiones y sus condiciones se puedeanali!ar situaciones croticas como la licuacin y la tubificacinen suelos arenosos finos y limos.)uando el agua fluye eiste un gradiente hidrulico, cuya alturadiferencial de presiones produce una fuer!a en los granos delsuelo en la direccin del flujo, a esta acumulacin de presionesse le denomina uerza de il7raciAn.)uando la fuer!a de filtracin /o eceso de presin de poros0 essuficientemente grande, los granos individuales del suelo puedenser suspendidos en el flujo de agua, una condicin visibleparecida a la ebullicin.Este fenmeno puede observarse tanto en el laboratorio como enel campo y puede ser aproimadamente evaluado para arenas.

En suelos cohesivos, las fuer!as de atraccin interparticularesproducen una condicin que puede ser levantada una masa desuelo ms bien que granos individuales.

CondiciAn de licuaciAn ;ara arenasF

Nuestro primer criterio sobre licuacin est vinculado a lapresin intermolecular en la arena es cero, es decir, los granosde arenas se tocan sin resistencia friccional disponible en estacondicin el suelo se encuentra saturado y la licuacin es ellmite de estabilidad esttica, ya que el fenmeno de licuacin,

el esfuer!o cortante tiende a cero, y otros criterios msmodernos sobre el fenmenos ante efectos dinmicos donde elssmico es el ms representativo y donde se tiene mseperiencia actualmente. En arenas no son posibles tensionesintergranulares menores que cero, ya que correspondera a unestrato de tensin /traccin0 propio de suelos cohesivos.

".#.-.


15/40

FLUJO LAMINAR FLUJO TURBULENTO


@0 los estados lmite de falla /que trata sobre la estabilidad de lasestructuras0.

90 los estados lmite de servicio /que se refiere a los hundimientos totales ydiferenciales que sufrir la cimentacin y la superestructura0

50 el flujo de agua a trav#s de los suelos que influye en el comportamiento delos mismos.

"ara anali!ar estos problemas se emplean modelos que se alimentan de losparmetros obtenidos ya sea de pruebas de campo o ensayes de laboratorio depermeabilidad, deformabilidad, resistencia y propiedades dinmicas, enmuestras lo menos alteradas posible, o al menos tratando de reproducir en ellaboratorio su grado de compacidad en estado natural.

&a permeabilidad de un suelo se refiere a su capacidad para permitir el pasode una corriente de agua a trav#s de su masa.

)uando el ingeniero geotecnista prevea que se presentar un flujo de aguadentro de la masa del suelo de su obra, es conveniente que garantice que elagua fluya bajo el r#gimen laminar a velocidades relativamente peque(as, delo contrario se presentar el fenmeno conocido como r#gimen turbulentocaracteri!ado por la generacin de vrtices que se presentan por la friccinentre las mol#culas del agua cuando #stas rebasan cierta velocidad dedespla!amiento4 este comportamiento puede generar, entre otros riesgos, el

arrastre de granos de suelo que tiene como consecuencia la formacin detubos dentro de la masa de suelo, efecto conocido como tubificacin. &asfiguras siguientes muestran esquemticamente los dos tipos decomportamiento.

+ec5nica de !uelos I #/ de -6


16/40


".#.".# GR$DIENTE %IDR)U'ICO.

El gradiente hidrulico es una medida de la energa que impulsa al agua amoverse dentro del suelo.

&a figura 5.5 muestra un suelo dentro de un tubo de cierto dimetro4 el aguase despla!a dentro del esp#cimen a una velocidad media OvK, pasando de laseccin@ a la seccin 9, recorriendo la distancia O&K4 despreciando la carga develocidad, la carga hidrulica en cualquiera de las dos secciones es3

P de acuerdo con la ecuacin de Qernoulli de la energa, se tiene3

e donde3

%iendo OhK la p#rdida de carga hidrulica que tiene lugar cuando el agua pasade la seccin @ a la seccin 9.

+ec5nica de !uelos I #: de -6


17/40


Minalmente, el gradiente hidrulico, i, es un concepto adimensional yrepresenta la p#rdida de carga hidrulica por unidad de longitud, esto es3

".#.".*. 'E, DE D$RC,.

En @RAD arcy descubri que la velocidad media con la que el agua fluyedentro de una regin de flujo es directamente proporcional al gradientehidrulico.

En la figura 5. se muestra esquemticamente el comportamiento del agua alvariar su velocidad4 si el agua parte de velocidades relativamente bajas, en la!ona I /laminar0, a velocidades mayores en la !ona II /transicin0 cambia ar#gimen turbulento en el punto Q, siguiendo la trayectoria inferior que seindica hasta alcan!ar el punto ) /correspondiente a la velocidad crticasuperior, vcs04 en cambio, si se parte de velocidades correspondientes a la!ona III /turbulenta0 a velocidades menores en la !ona de transicin, el aguacambia su comportamiento a r#gimen laminar en el punto O+K/correspondiente a la velocidad crtica inferior, vci0, siguiendo la trayectoriasuperior que se indica.

".#.".". COE(ICIENTE DE PER+E$BI'ID$D.

+ec5nica de !uelos I #< de -6


18/40


+ec5nica de !uelos I #= de -6


19/40


e la figura 5.9 se deduce que en r#gimen laminar, la ley de darcy es3

%iendo S una constante de proporcionalidad, conocida como coeficiente depermeabilidad.

En virtud de que el gradiente hidrulico es un concepto adimensional, elcoeficiente de permeabilidad tiene dimensiones de velocidad, siendonum#ricamente igual a la velocidad media del agua cuando el gradientehidrulico es igual a uno4 fsicamente representa la OfacilidadK /inverso de laresistencia0 con que el agua fluye a trav#s del suelo.

En la figura 5.9 el volumen de agua que atraviesa el suelo en la unidad detiempo, esto es el gasto, =, puede epresarse a partir de la ecuacin 5.A,

como3

%iendo + el rea de la seccin.

En la siguiente tabla se muestra el rango de valores de S de acuerdo con eltipo de suelo3

+ec5nica de !uelos I #@ de -6


20/40


".#.".-. ($CTORE! 0UE IN('U,EN EN '$ PER+E$BI'ID$D DE'O! !UE'O!.

&a permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes tantoal suelo como a caractersticas del fluido circulante. &os principales son3 &as fuer!as de superficie. &a porosidad. &a tortuosidad de los vacos del suelo. &a relacin de vacos del suelo. &a temperatura del fluido y suelo. &a viscosidad del fluido en movimiento. &a estructuracin del suelo. &a humedad del suelo.

&as fuer!as de superficie de los granos determinan principalmente lafuer!a de atraccin entre las mol#culas del fluido y las partculas de suelo4este fenmeno determina en gran medida la velocidad de humectacin de unsuelo, la porosidad y la relacin de vacos, que son los principales parmetroscon los que se ha relacionado el valor de la permeabilidad en las epresioneseistentes para su determinacin. %e piensa que la cantidad de vacos quetenga un suelo determinara en gran parte el valor de su permeabilidad, sinembargo, la tortuosidad de los canales es un elemento importante, ya que unfluido circula con mayor rapide! por un canal uniforme que por uno quepresente una alta tortuosidad, a pesar de que su tama(o o vacos sean los

mismos.&as caractersticas del fluido tambi#n influyen sobre el valor de lapermeabilidad, por ejemplo3 la permeabilidad que puede tener una sosaliquida con respecto al agua destilada, dista de ser igual, en este caso laviscosidad de la sosa determina en gran medida su comportamiento en elsuelo, haciendo ms lenta su forma de fluir. &a temperatura del fluido serelaciona directamente con su viscosidad.

&a permeabilidad tambi#n puede variar por la estructuracin del suelo4la estratificacin ocasiona que los valores de su permeabilidad sean diferentesen cada estrato, incluso si se trata del mismo suelo con diferente grado decompactacin o humedad, la permeabilidad seguramente ser diferente.

".#.:. PRUEB$! DE PER+E$BI'ID$D.

En la medida de lo posible el coeficiente de permeabilidad es msconveniente determinarlo de una prueba directa que de otras t#cnicas menosprecisas, para ello se crearon bsicamente 5 pruebas aplicables seg$n el suelode que se trate, las cuales son3

a0 El permemetro de carga constante

b0 El permemetro de carga variablec0 &a prueba in situ

+ec5nica de !uelos I *6 de -6


21/40


22/40


)abe se(alar que se deben hacer varias determinaciones para obtener el valorms probable del parmetro. %i la temperatura del agua de la prueba esdistinta de 92U ), deber hacerse una correccin del valor obtenido delcoeficiente de permeabilidad, Sp, mediante la epresin3

onde3

: :emperatura del agua de la prueba en grados centgrados.S )oeficiente de permeabilidad para una temperatura del agua de 92U ).

".#.:.*. PER+E)+ETRO DE C$RG$ $RI$B'E.

En la variante de pared rgida, este aparato tiene su campo de aplicacin enmateriales un poco menos permeables que los mencionados para el caso delpermemetro de carga constante, tales como arenas finas, arenas finaslimosas, o arenas limosas con poca arcilla /@2?@ a @2? cm6s0. %in embargo, adiferencia de la anterior, para reali!ar esta prueba es necesario contar mucha

eperiencia, evitando la formacin de natas que este tipo de materialespueden llegar generar y por consiguiente reportar un valor del coeficiente depermeabilidad menor al OrealK.

En el tipo de pared delgada, en este aparato se pueden ensayar suelos concoeficientes de permeabilidad entre @2? y @2?H cm6s, adems de que esposible someter a la muestra a diferentes esfuer!os de confinamiento paraobtener la variacin de S con el esfuer!o medio.

El mecanismo se muestra esquemticamente en la figura 5.D4 %e trata de un

tubo de pared rgida o fleible donde se monta la muestra4 en el caso del depared fleible es posible aplicar presiones a la muestra para medir elcoeficiente de permeabilidad en funcin del esfuer!o confinante.

En la parte superior se coloca un tubo de dimetro menor o igual al que llevala muestra. urante la prueba el nivel del agua en el tubo peque(o pasa deuna altura h@ a una menor h9 en un tiempo OtK. El coeficiente depermeabilidad se obtiene con la frmula3

+ec5nica de !uelos I ** de -6


23/40


%iendo OaK el rea de la seccin transversal del tubo de menor dimetro, entanto que O+K y O&K el rea de la seccin y la longitud de la muestra,respectivamente.

+ec5nica de !uelos I *" de -6


24/40


25/40


I. PROB'E+$!

-.#. PROB'E+$! DE C$PI'$RID$D.

Prolea #.

)onsidera el equilibrio de una burbuja de gas en el seno de un lquido. %i el

dimetro de la burbuja es /d0, el gas, est a la presin /p0 y el lquido a la

presin u, encuentre una relacin entre /p0 y /0 en funcin de /d0 y de la

temperatura superficial :s, eistente en la superficie de interfase.

!oluciAn.

+ ampliacin, seno en lquido.

Q burbuja gaseosa

urante le proceso de secado3 /evaporacin0

- &as tensiones del agua aumentan, cuyo valor mimo est determinado por

los tubos capilares en los etremos.

- %e admite que el peso del gas de la burbuja es independiente de las

tensiones del agua, y despreciable las fuer!as de gravitacin.

El equilibrio de la burbuja para un tiempo t,

d 1 dimetro de la burbuja en la fig. .9.@.

a0 >enisco > b0 Muer!a que act$a en el borde

+ec5nica de !uelos I */ de -6

A OB

M

ud

4

2

pd

4

2

Ts

Ts

d Ts

Ts

d Ts


26/40


seccin esfera y borde de la circunferencia

esfuer!os que act$a.

= perimetrosFmeniscoF

dTsud

Pd

=4

.4

22

( ) TsduPd

=4

2

d

TsuP 4=

PROB'E+$ *.

En el fondo de un recipiente con agua se coloca un tubo capilar, si la altura de

ascensin capilar del tubo es hc y la carga de agua h se mantiene constante,

abst#ngase una ley de movimiento del menisco en el tubo suponiendo regmen

laminar y que el menisco est totalmente desarrollado en todo instante.

!oluciAn.

%abemos que3

V i

dt

dxciv == J/@0

El gradiente hidrulico entre @ y 9.

( )

x

hch

x

hch

x

hhI

+=

=

= 21 J/90

En /@0

+

= xhch

cdt

dx

+ec5nica de !uelos I *: de -6

2

1

x

h


27/40


Integrando3

( ) 12

2cthchc

x++=

9

1 9c /hWhc0 t Wc@"ara t 1 2 en /50, 1 2 , c@1 2

&uego3

91 9 /hWhc0 t

e donde3 )omparando con 91 mt

m 1 9c /hWhc0

Prolea ".

)alcular la tensin capilar mima es g6cm9, en un tubo con 2.22A mm de

dimetro. )alcular la ascensin mima del agua en dicho tubo.

!oluciAn.

u 1 X

1 2.22Amm4 * 1 2.229Amm 1 2.2229Acm

&a epresin del esfuer!o de tensin.

R

Tswhu 2

==

%i3 :s 1 2.2C g6cm

&uego3 2/59200025.0

/074.02cmg

cm

cmgxu ==

- 1 @gr6cm5

u 1 h- 1 AH9 cmcmg

cmg

w

uh 592

/1

/5923

2

===

h 1 A.H9m

+ec5nica de !uelos I *< de -6


28/40


PROB'E+$ -.

En la Mig, .C se muestra un recipiente de vidrio totalmente lleno de agua. En

su superficie inferior hay un agujero min$sculo de dimetro d@1 2.2@ cm y elmenisco en el est totalmente desarrollado. En su superficie inferior hay otro

agujero de dimetro d93

a0 Y)ul es el mimo valor que puede tener da si el menisco en el est

totalmente desarrollado.

b0 %i d@ 1 d91 2.2@cm, encuentre el ngulo de contacto para el agujero

superior, d@ tenga un menisco totalmente desarrollaro /serie III ms ZI Z >#ico @HC@0.

+ec5nica de !uelos I *= de -6

d1

d2

20c

m


29/40


30/40


*eempla!ando valores3

)os 91 2.59A 1 2.55 1 @65

91 arc cos

3

1

-.*. PROB'E+$! DE PER+E$BI'ID$D.

PROB'E+$ /.

%obre un terreno poroso saturado, de @2 m de espesor, se filtra agua /[1HHA Sg6m50 que rellena un acufero subterrneo. %abiendo que lapermeabilidad del suelo es /;[g 1 @2?A m6s0. Y)unto tiempo tardar elagua de la superficie en alcan!ar el acuferoX.

!oluciAnF

+plicamos la ley de arcy3

=ue nos da el valor de la velocidad de filtracin.

&a diferencia de presin, teniendo en cuenta que el suelo est saturado, serla correspondiente a una columna de agua de @2 m de altura. /[g!0. )on losdatos del problema hallamos primero la permeabilidad del suelo3

;[email protected] @2?H /m5s6;g0.

"or lo tanto la velocidad de filtrado ser3

En consecuencia el agua que cae sobre la superficie tardar @@.AC das enllegar al acufero.

+ec5nica de !uelos I "6 de -6


31/40


. EN!$,O! DE '$BOR$TORIO

E;erien7o N2 #COE(ICIENTE! DE PER+E$BI'ID$D3 +ETODO DE C$BE$ CON!T$NTE

El coeficiente de permeabilidad es una constante de proporcionalidadrelacionada con la facilidad de movimiento de un flujo a trav#s de unmedio poroso. Eisten dos m#todos generales de laboratorio paradeterminar directamente el coeficiente de permeabilidad de un suelo.Estos son los llamados mtodos de la cabeza constante, descrita en elpresente eperimento, y el mtodo de la cabeza variable deleperimento NU 9.+mbos m#todos se basan en el uso de la ley de arcy3 V=ki; y lavelocidad correspondiente del flujo es3 = 1 Si+onde3

H1 cantidad de flujo por unidad de tiempo1 ceficiente de permeabilidad /unidades de velocidad0i1 gradiente hidrulico 1 h/L>1 diferencia de cabe!a hidrulicas a lo largo de la muestra'1 &ongitud de la muestra a trav#s de la cual se mide h$1 rea de la seccin transversal de la masa de suelos en consideracin

Ni el ensayo de cabe!a constante ni el de cabe!a variable permitenobtener valores del coeficiente de permeabilidad de un suelo demasiadoconfiables. Eisten muchas ra!ones para esto, pero las principales son lassiguientes3@. El suelo que se utili!a en el aparato de permeabilidad nunca es igual al

suelo que se tiene en el terreno Z siempre estar algo alterado.9. &a orientacin in situ de los estratos con respecto al flujo de agua es

probablemente diferente en el laboratorio. En arenas, la relacin entreflujo hori!ontal y el flujo vertical puede ser entre 5 y veces mayor/kh / kv15 ms0, en la generalidad de los casos. En el laboratorio,a$n si se duplica adecuadamente la relacin de vacios para la arena, larelacin entre kh / kv se perder probablemente. &os rellenosarcillosos generalmente poseen fisuracin hori!ontal debido a la formade su colocacin y compactacin en capas de @A a 52 cm de altura.

Esto produce kh kv,de nuevo una situacin que difcilmente sepuede reproducir en el laboratorio.

5. &as condiciones de frontera son diferentes en el laboratorio. &asparedes lisas del molde de permeabilidad mejoran los caminos del flujocon respecto a los caminos naturales del terreno. %i el suelo tieneestratificacion vertical, el flujo en los diferentes estratos serdiferente, y esta condicin de frontera es casi imposible de reproduciren el laboratorio.

. &a cabe!a hidrulica hpuede ser diferente /a menudo mucho mayor0 enel laboratorio, lo cual causa el lavado del material fino hacia las

fronteras con una posible reduccin en el valor de k. los gradienteshidrulicos obtenidos en el terreno /i=h/L0 varan entre 2.A y @.A,

+ec5nica de !uelos I "# de -6


32/40


mientras que en el laboratorio suelen ser A ms. Eisten evidenciaobtenida en diferentes investigaciones que hace pensar que v=kino esuna relacin lineal para todos los valores de i, especialmente paravalores grandes />itchell y Pounger ?@HDC0. "or otra parte, eistetambi#n evidencia de que en suelos finos /arcillas0, puede eistir un

gradiente de umbral por debajo del cual no hay flujo /:er!aghi [email protected]. El efecto de aire atrapado en la muestra de laboratorio es grande aun

para peque(as burbujas de aire debido al tama(o tan peque(o de lamuestra.

El coeficiente de permeabilidad de una masa de suelo homog#nea,isotrpica depende principalmente de los siguientes factores3@. &a viscosidad del fluido en los poros /normalmente agua0. + medida

que la temperatura aumenta, la viscosidad del agua disminuye y elcoeficiente de permeabilidad aumenta4 es decir, la velocidad de flujoaumenta. El coeficiente de permeabilidad se ha normali!ado a 92U ),

de forma que el coeficiente de permeabilidad a cualquier temperatura se puede epresar con respecto a k!", por medio de la siguienteecuacin3

/@?@0

donde n yn!", son las viscosidades de los fluidos a la temperatura del ensayo y a 92U, respectivamente.Es posible utili!ar la viscosidad absoluta o la viscosidad cinemtica delfluido en la ecuacin /@@?@0. %e pueden usar los valores de la :abla @9?@

9. &a relacin de vacios edel suelo. %e han hecho varios intentos paracorrelacionar el coeficiente de permeabilidad del suelo a una relacinde varios dada con el mismo suelo a diferente relacin de vacios

por epresiones tales como las siguientes3

/@?90

/@?50

"ara arcillas \:er!aghi /@H9A0], como a la relacin de vacos de

2.@A,

/@?0

&a ecuacin /@?0 debe utili!arse con mucho cuidado4 es recomendablehacer ensayos de permeabilidad a diferentes relaciones de vacos para

+ec5nica de !uelos I "* de -6


33/40


obtener el valor de k en lugar de utili!ar la ecuacin /@?0. En la

ecuacin /@?0 es el coeficiente de permeabilidad cuando [email protected]

5. El tama(o y forma de los gramos de suelo. +llan 'a!en estudi el usode arenas en filtros para obras hidrulicas /ca. @RH20, y concluy quepara arenas limpias y gravasel coeficiente de permeabilidad puedeepresarse aproimadamente como3

/@?A0

para un rango de # entre 2.@^ ^5.2mm. El que se utili!a es el

dimetro correspondiente al @2 ms fino en el tama(o de la muestraobtenido de la curva de distribucin granulom#trica /obtenida en eleperimento de granulometra0 y epresado en cm.&a presencia de partculas angulares y laminares tienden a reducir kms que cuando el suelo est compuesto predominantemente porpartculas redondeadas y esf#ricas.

. El grado de saturacin. + medida que aumenta el grado de saturacin,el coeficiente de permeabilidad aparente tambi#n se incrementa. Enparte este aumento se debe a la disminucin en la tensin superficial.El origen del resto del aumento se desconoce, pues es difcildeterminar k a menos que se considere continuidad del flujo a trav#sdel medio.El flujo a trav#s del medio poroso puede obtenerse $nicamente

considerando la cantidad que entra y sale de la masa de suelos. )omocaso etremo, sera posible, en un suelo seco, tener un flujoconsiderable hacia la muestra sin tener flujo de salida. El clculo de kdara k 1 2 lo cual evidentemente es incorrecto. &as muestras usadasen laboratorio generalmente se saturan para evitar este problema,aunque en recientes investigaciones se ha tenido en cuenta condicionesdonde $ ^ @22 \>itchell y otros /@HDC0].Elperme%metro patr&n de compactaci&n, que utili!a el modelo de H

utili!ado en el eperimento patrn de compactacin, es

ampliamente utili!ado para determinar la permeabilidad de esp#cimencompactado, para tales como los necesarios para n$cleos de presa,diques, etc. Esto no impide, sin embargo, la posibilidad de utili!arotros aparatos de permeabilidad, que pueden fabricarse directamenteen el laboratorio y son relativamente baratos.En los m#todos de laboratorio la cada hidrulica total /o perdida decabe!a0 ocurre supuestamente de la muestra de suelos, mientras queuna peque(a perdida de cabe!a hidrulica tiene lugar a trav#s de laperdida porosa que eiste en la base del aparato de permeabilidad. &oanterior puede evitarse construyendo el aparato, de forma que laperdida de cabe!a que sucede a trav#s de dos mallas de tami! NU 922

en los etremos de la muestra sea completamente despreciable.

+ec5nica de !uelos I "" de -6


34/40


&os ensayos de laboratorio que se utili!an para determinar elcoeficiente de permeabilidad del suelo, a menudo requiere el uso deagua deaireada /y algunas veces destilada0.El uso del agua deaireada puede ser de gran utilidad ya que lapresencia de burbujas de aire en solucin en muestras peque(as delaboratorio puede afectar bastante los resultados al compararlos con elefecto del mismo tipo de burbujas en el suelo natural. En opinin delautor, ecepto para investigaciones de precisin, el uso de aguadeaireada introduce un aumento cuestionable en la precisin de ladeterminacin de k en ensayos rutinarios de laboratorios, cuando seconsidera las ineactitudes de todo el ensayo y el hecho que el agua enel campo no es no aireada ni destilada. os procedimientos bastantessimples se pueden utili!ar para reducir el problema del aire ensolucin.


35/40


)omo( =' it


36/40


37/40


+ec5nica de !uelos I "< de -6


38/40


I. CONC'U!IONE!.

"ara poder conocer la permeabilidad de diversos suelos se debe tener

bien conocidas su granulometra, propiedades ndices y clasificacin. )aracteri!ar desde el punto de vista hidrulico los suelos de una !ona,

esto permite estimar el tiempo de trnsito de diversas sustancias hacia

el subsuelo y acufero. &a permeabilidad de los suelos vara de acuerdo a la naturale!a del

mismo, su granulometra, ambiente de depsito, humedad volum#trica,

succin, y de acuerdo al tipo de fluido. >ediante la interpretacin de las pruebas de campo y de laboratorio se

establece que independiente al tipo de fluido y de suelo, eisten tresvelocidades de flujo en un medio3 'umedecimiento. %aturacin. :ransporte.

&a metodologa propuesta para el campo es de fcil accin y

reproduccin, por lo que constituye otra forma econmica y rpida de

caracteri!ar desde el punto de vista hidrulico de un suelo. &a OcapilaridadK constituye otro factor para el flujo en un medio

poroso, tanto vertical como hori!ontalmente, por lo que el

permemetro se puede modificar para reali!ar las pruebas hori!ontales

de capilaridad. &a viscosidad y el peso especfico no son las $nicas caractersticas del

fluido que influyen en la permeabilidad de los suelos finos, como lo

indican las ecuaciones tericas eistentes, las fuer!as que se generan

en el contacto fluido?suelo forman un papel determinante en su

facilidad o incapacidad de transporte en el suelo.

+ec5nica de !uelos I "= de -6


39/40


II.RECO+END$CIONE!

Es importante distinguir cul es la utilidad que se le dar al valor de

permeabilidad que se obtenga, de esto depende la eleccin del m#todo

adecuado para su determinacin. &os tiempos de trnsito deducidos de la permeabilidad marcan que tan

rpido las encargados de "roteccin )ivil deben de atender un evento

antes de que las substancias puedan alcan!ar el acufero.

+ec5nica de !uelos I "@ de -6


40/40

permeabilidad y de capilaridad de los suelos

Documents

Transcript of permeabilidad y de capilaridad de los suelos