CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.4 ENSAYOS DE LABORA TORIO
2.4.4 Parámetros de Permeabilidad
Capítulo 11: Merco Teórico
La capacidad del suelo para permitir el paso del agua a través de él es comúnmente conocido como permeabilidad (Whitlow, 1994). La permeabilidad de los suelos está determinada por la relación de vacíos, tamaño de los canales de flujo perpendiculares a la dirección de flujo, forma de los canales paralelos a la dirección del flujo, de la densidad del suelo, distribución del tamaño de partículas, grado de saturación y la viscosidad del fluido. Altas relaciones de vacío, grandes poros y canales de flujo rectos resultan en una alta permeabilidad, mientras que bajas relaciones de vacío, poros pequeños y canales de flujo tortuosos resultan en una baja permeabilidad (Mesri, 2007).
Existen diferentes métodos para la medición del coeficiente de permeabilidad, los cuales utilizan formulaciones basadas en la ley de Darcy, y clasificados según el procedimiento de ejecución como ensayos de carga constante y ensayos de carga variable. Existen en nuestro medio dos clases de equipo (permeámetros) que llevan a cabo dichas metodologías, el permeámetro de pared rígida comúnmente usado en suelos granulares y el permeámetro de pared flexible, usado principalmente en suelos cohesivos (Alarcón, 1999).
En suelos de bajo a medio contenido orgánico la influencia de la materia orgánica en la conductividad hidráulica del suelo dependerá de la naturaleza del suelo mineral. En suelos granulares el contenido de materia orgánica disminuirá la permeabilidad del material debido a que el material orgánico se alojará dentro de los intersticios del suelo, disminuyendo el área de los conductos que transportan el
agua; en suelos de grano fino, la materia orgánica incrementará el valor de la
permeabilidad debido a que los vacíos del material orgánico servirán como conductos de drenaje (Arman, 1970).
En suelos altamente orgánicos, como es el caso de la turba, tanto del tipo amorfa como la fibrosa, se ha observado una clara dependencia de la permeabilidad inicial del suelo con el contenido de vacíos, humedad natural y el grado de humificación o descomposición del material orgánico. Diversos estudios indican en general que el material turboso presenta relaciones de vacíos en el rango de 6-20 (muy poroso), y presentan una permeabilidad media con buenas características de drenaje en su estado natural (Tabla Nº 2.12). En turbas fibrosas con bajo grado de humificación la permeabilidad inicial es mayor al de las turbas amorfas con alto grado de humificación. Ello se debe que a pesar de que la relación de vacíos es bastante CIMENTACIÓN DE PRESAS SOBRE SUELOS ORGANICOS
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similar, la estructura suelta y hueca de las fibras se traduce en un mayor tamaño de los canales de flujo, lo que permite una mayor movilidad del agua a través del suelo. Debido a que la turba, especialmente la fibrosa, es bastante compresible, la relación de vacíos y con ella la permeabilidad decrece dramáticamente a medida que se comprima bajo las cargas típicas del terraplén. Por tal motivo en el análisis de consolidación de dichos suelos orgánicos es necesario tomar en cuenta el cambio de la permeabilidad junto con el asentamiento de la presa y/o con el cambio en la relación de vacíos (Wong, 2009).
Tabla Nº 2.12: Valores Típicos de la Penneabilidad Inicial Vertical (k
vo), Humedad Natural (w0) y Relación del Coeficiente de Compresión Secundaria (Ca) con el Coeficiente de Compresibilidad Ce
en Turbas
(McFarlane & Rutka 1962, Miyakawa, 1960)
Turba Wo (%) kvo (cm/s) Ca/Ce Referencias
Turba Fibrosa 850 4x10·6 0.06- 0.10 Hanrahan (1954)
Turba 520
-
0.061 - 0.078 Lewis (1956)Turba Fibrosa y 500-1500 10-5- 10-4 0.035 - 0.083 Lea y Brawner (1963) Amorfa
Muskeg 200-600 10-J 0.09 - 0.10 Adams (1965)
(Ganada)
Turba Amorfa a 705 0.073 - 0.091 Keene y Zawodniak
Fibrosa (1968)
Turba 400-750 1Q-4 0.075 - 0.085 Weber (1969)
605-1290 10-4- 10·3 0.052 - 0.072 Samson y La Rochelle
Turba Fibrosa
(1972) Turba Fibrosa 613-886 10-4 0.06 - 0.085 Berry y Vickers (1975)
Turba Amorfa a 600 10-4 0.042 - 0.083 Dhownian y Edil (1980)
Fibrosa
Turba Fibrosa 600-1590 5x10·5- 5x10·3 0.06 Lefebvre et al (1984)
Turba 370
-
0.06 Den Hann (1994)Holandesa
Turba Fibrosa 610-850 6x 1 0-6 -10-5 0.052 Mesri et al ( 1997)
Muchos autores (Berry & Poskitt 1972, Larson 1981, Tavenas et al 1983) han encontrado que en un rango normal de presiones, la permeabilidad en suelos orgánicos puede simplificarse a una línea recta en el gráfico de deformaciones (E) versus el logaritmo de permeabilidad (log (ka). El logaritmo de la permeabilidad es expresado como:
log(ke) = log(k¡) - fJk· E
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(2. 15)
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Bk -
_
Mog(k) ECapitulo 11: Marco Teórico
(2. 16) La permeabilidad inicial es determinada mediante ensayos de campo o de
laboratorio. El coeficiente del cambio de permeabilidad (fJk} es determinado
mediante ensayos de laboratorio o puede, en algunos tipos de suelos, ser estimado
mediante correlaciones empíricas con el contenido de agua o relación de vacíos
(Figura Nº 2.25). Estos valores son usualmente usados en cálculos preliminares y
tienen que ser verificados antes de ser usados en los cálculos de diseño.
-1--... �..--.---.�...-... �----... Turba
t???'A
H5- H10 ®,.�H1 -H4 _5 ... ...i..._,¡,,__,¡..._.._ ... _.�i-:.:=t::..-,1,...1 O 1000 2000 Humedad . w {%) 6 Turbat???'A
H5- H10 �H1-H4 4i...-i...i.� ... ...i..--i�...i....;:;a;,....ii,1,,__.__, O 1000 2000 Humedad . w { %)Figura Nº2.25: Relación entre la Permeabilidad y la Humedad Inicial de la Turba para Turbas con
Diferentes Grados de Humificación en la Escala de Von Post (Carlsten, 1988)
Para interpretar la velocidad del proceso de la consolidación primaria, es bastante útil graficar la relación entre la razón de vacíos (e) y el logaritmo del esfuerzo vertical
efectivo (a;0) y la relación entre la razón de vacíos y el logaritmo de la permeabilidad
vertical inicial {kv0). La ventaja de este método es que se visualiza directamente el
decrecimiento de la permeabilidad con el aumento de la presión vertical efectiva y la disminución de la razón de vacíos.
La pendiente de la curva de relación de vacíos (e) versus el logaritmo de la permeabilidad vertical inicial (kvo), conocida como coeficiente Ck, caracteriza el
decrecimiento de la permeabilidad con el decrecimiento de la relación de vacíos. El valor Ck es calculado mediante la siguiente expresión:
(2. 17) El valor de Ck, sin embargo no es un indicador directo del ·cambio de permeabilidad.
Cuando ck es elevado, para un decrecimiento dado en la relación de vacíos, el
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Capítulo 11: Marco Teórico
decrecimiento en la permeabilidad es pequeño; mientras que para un pequeño valor de Ck, se espera un gran decrecimiento de la permeabilidad junto al decrecimiento
en la relación de vacíos.
Mesri (2007) propuso las siguientes correlaciones entre el coeficiente ck y la
relación de vacíos inicial:
Arcillas blandas y depósitos de limo
Turba fibrosa
ck/
_
5eo -O. O (2. 18)
(2. 19)
A diferencia de las arcillas el coeficiente k de consolidación de la turba decrece más rápidamente con el decrecimiento de la relación de vacíos que una arcilla inorgánica.
Dependiendo del tipo de método de diseño para la construcción del terraplén y el tipo de cálculo a ser desarrollado, es necesario determinar tanto la permeabilidad vertical kv, como la permeabilidad horizontal o radial kh.
Ensayos de permeabilidad en ambas direcciones pueden ser desarrolladas en especímenes de suelo en la celda de Rowe tanto para el flujo de agua en la dirección vertical o para el flujo radial horizontal. Los ensayos de permeabilidad deben de ser llevados a cabo después de la consolidación vertical para incrementos de carga al final de cada estación de carga con condiciones de flujo y drenaje diseñados para simular las condiciones de campo. Una ventaja adicional es que permiten especímenes más grandes de muestra, lo cual es idóneo para la ejecución
de ensayos sobre turbas fibrosas. En la Figura Nº 2.26 se muestra la configuración
de la celda de Rowe.
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a)
Sistema deContrapresión {1) Sale tp1l
Capítulo//: Marco Teórico
Para flujo ascendente (mostrado) ... P2 > P1 Sistema de Contrapresión (2) Para flujo descendente ... Pi > P2
b)
Sistema de
Contra presión ( 1 ) cerrado
Entra
Disco de metal rigido con el agujero de drenaje tapado
wz:r--- disco de látex
Para flujo radialmente entrante (mostrado) .. P, >
Pz
Para flujo radial mente saliente . · · · ···· · · ·· · · · ··· P2 > Pi
Sale
---1Pzl Sistema de Contrapresión {2)
(con medidor de cambio de volumen)
Figura Nº2.26: Esquema de la Celda de Rowe para el Ensayo de Permeabilidad (a) Flujo Vertical {b) Flujo Radial
(Barden y Rowe, 1966)
Donde:
A = Área transversal de la muestra,
Q = Caudal
H = Altura de la muestra
l1 p = Diferencia de presión de agua
D = Diámetro de la muestra
d = Diámetro del dren central
Pw =Densidad del agua
Q.H (A.�p)
Q-Pw·B l
(º)
2:n:.H.�p . ll dCIMENTACIÓN DE PRESAS SOBRE SUELOS ORGÁNICOS CANAZA TORRES, JOSE ANGEL
(2. 20)
(2. 21)
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g = Gravedad del agua
Capítulo 11: Marco Teórico
La relación entre las permeabilidades horizontal y vertical es la anisotropía de la permeabilidad del suelo. La anisotropía de la permeabilidad es especialmente pronunciada en turbas con una bajo grado de humificación con una alta permeabilidad horizontal en comparación con la permeabilidad vertical. El decrecimiento de la anisotropía con el incremento del grado de humificación, como en suelos homogéneos, se hace insignificante para turbas descompuestas (turba amorfa).
En la Tabla Nº 2.13 se dan algunos valores típicos de permeabilidad para algunos
tipos de suelos orgánicos y turba.
Tabla Nº 2.13: Valores Típicos de Permeabilidad para Suelos Orgánicos (Look, 2007)
Tipo de Clasificación
Suelo Descripción
sucs
Con limos/arcillas de baja OL
Suelo plasticidad
Orgánico Con limos/arcillas de alta OH
plasticidad
Turba Suelo Altamente Orgánico Pt
2.5 INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS DE CAMPO