DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DE UN SUELO
MÉTODO DE CARGA CONSTANTE
OBJETIVO
Este ensayo tiene por objeto la determinación del coeficiente de permeabilidad de una muestra de suelo granular expresado en unidades de velocidad usando un permeámetro de carga constante en el cual el flujo vertical de agua a través de una probeta (obtenida a partir de la muestra de suelo) es laminar.
Este procedimiento es apropiado para suelos que tienen un coeficiente de
permeabilidad comprendido entre 10-2 m/s y 10-5 m/s y que no contengan más de un
10% de material que pase por el tamiz de abertura 0.074 mm (tamiz No200).
FUNDAMENTO TEORICO
En 1856, en la ciudad francesa de Dijon, el ingeniero Henry Darcy fue encargado del estudio de la red de abastecimiento a la ciudad. Parece que también debía diseñar filtros de arena para purificar el agua, así que se interesó por los factores que influían en el flujo del agua a través de los materiales arenosos, y presentó el resultado de sus trabajos como un apéndice a su informe de la red de distribución. Ese pequeño apéndice fue la base de todos los estudios físico-matemáticos posteriores sobre el flujo del agua subterránea.
En los laboratorios actuales disponemos de aparatos muy similares al que utilizó Darcy, y que se denominan permeámetros de carga constante.
El coeficiente de permeabilidad, k, representa la relación que existe entre la velocidad promedio de flujo, v, y el gradiente hidráulico, i, necesaria para la existencia de flujo.
i v k
Las siguientes condiciones fundamentales son requeridas en el método de carga constante de suelos granulares para garantizar el flujo laminar a través de la muestra.
- Continuidad de flujo sin cambio de volumen durante el ensayo. - Flujo con los poros saturados sin la presencia de burbujas de aire. - Flujo en estado permanente sin cambios en el gradiente hidráulico.
- Proporción directa entre la velocidad de flujo y los valores de gradiente hidráulico hasta el inicio del flujo turbulento.
- Cualquier otro tipo de flujo relacionado con saturación parcial de los poros, flujo turbulento, estado no permanente etc., requiere procedimientos y condiciones especiales.
APARATOS Y MATERIAL NECESARIO
o Permeámetro de carga constante, de forma cilíndrica metálica o preferentemente de material plástico transparente, con dos tapas estancadas de metal resistente a la corrosión. El diámetro interior del cuerpo de la célula debe ser al menos 12 veces el tamaño máximo de la partícula del suelo a ensayar. Las células más usuales son de 75 mm y 100 mm de diámetro, aunque se puede usar células de mayor tamaño.
o Tuberías flexibles de plástico con sus correspondientes llaves, para conectar el extremo inferior de los tubos piezométricos a las salidas correspondientes.
o Tanque de carga constante, para remover el aire y abastecer de agua y presión hidrostática constante al permeámetro durante el ensayo. Debe llevar tres conexiones en la parte inferior, una para desagüe que sirva para mantener y fijar el nivel, otra para la entrada de agua desaireada y una tercera de alimentación a la célula.
o Suministro de agua desaireada y limpia al tanque de carga constante. o Recipiente de descarga.
o Material de filtro de una granulometría apropiada, que se coloca entre las placas perforadas y los discos porosos.
o Probetas graduadas.
o Un embudo para introducir la muestra en el permeámetro.
o Cuchara con una capacidad de 100g para verter la muestra de suelo en el embudo.
o Termómetro. o Cronómetro.
PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Seleccionar mediante cuarteo una muestra representativa del suelo granular, secada al aire, con menos del 10% del material que pasa el tamiz No 200 en la cantidad necesaria para satisfacer los siguientes requerimientos:
- Realizar un análisis por tamizado en una seria completa hasta el tamiz #200 en una muestra representativa del suelo antes de realizar la prueba de permeabilidad.
- Posteriormente, todas las partículas mayores a 19 mm (¾”) serán separadas por el respectivo tamiz. Este material no será utilizado durante la prueba de permeabilidad. El porcentaje de material retirado deberá ser registrado.
- Del material pasante por el tamiz ¾”, seleccionar, por medio de cuarteo, la muestra en la cantidad suficiente para llenar 2 veces el permeámetro.
Se mide el diámetro de la célula de permeabilidad a varias alturas y se calcula el diámetro medio D, con una exactitud de 0.5 mm.
Determinar el área de la sección transversal del cilindro, A.
Se monta la célula de permeabilidad con la base, la placa perforada y el cuerpo cilíndrico.
Se vierte el material de filtro sobre la placa perforada (grava retenida en el tamiz No 10), se nivela la superficie de dicho material y se coloca un disco poroso.
Se mide la altura media, L, de la muestra en el permeámetro, con una exactitud de 0.5 mm.
Colocar la tapa superior del permeámetro, ajustando al tope para evitar espacios vacíos entre la tapa y el material de filtro. Sellar bien la tapa superior y ajustar el resorte.
Armar el permeámetro al sistema de mangueras y tanques.
Determinar la energía de presión a la entrada y salida del permeámetro.
Proceder con la saturación de la muestra dejando entrar lentamente agua del tanque de carga constante a través de la válvula de entrada, saturando la muestra de este modo de arriba a abajo. Abrir la válvula de salida para permitir el escape de aire.
Una vez que la muestra ha sido saturada y el permeámetro está totalmente lleno de agua, cerrar las válvulas de entrada y salida y la válvula del tanque.
En este paso se debe verificar que todo el sistema este libre de aire incluyendo las mangueras que conectan al permeámetro. Para el conducto que conecta el tanque con la válvula de entrada, se deberá sacar la manguera en el extremo que se conecta con el permeámetro (manteniendo la válvula de entrada cerrada) y dejar caer un poco de agua (abriendo suavemente la válvula del tanque de altura constante), luego reconectar la manguera a su lugar inicial.
PROCEDIMIENTO A SEGUIR
Abrir suavemente la válvula de entrada y la válvula de purga del permeámetro y se deja fluir el agua hasta que se elimine el aire ocluido a través del orificio de purga. Se cierra la válvula de purga.
Se abren las válvulas de entrada y salida del permeámetro, y la válvula de de la manguera que conecta el tanque con la válvula de entrada.
Se debe comprobar que el nivel de agua se mantiene constante.
Se coloca una probeta graduada de capacidad suficiente, en el extremo inferior de la manguera conectada a la válvula de salida del permeámetro.
Simultáneamente se pone en marcha el cronómetro para medir el tiempo, t, que se necesita para alcanzar un volumen de flujo V del orden de 750 a 900 ml.
Medir la temperatura del agua contenida en la probeta de volumen de flujo, en °C.
Para determinar un coeficiente de permeabilidad representativo, repetir la prueba, es decir, repetir la lectura de V utilizando el mismo tiempo (o cercano al mismo) hasta que se obtengan lecturas semejantes.
Para completar el ensayo de permeabilidad, drenar el agua de la muestra y establecer si el ensayo ha sido homogéneo o isotrópico. Cualquier línea horizontal clara u oscura es evidencia de que ha existido una segregación de finos.
OBTENCION Y EXPRESION DE LOS RESULTADOS
Los datos obtenidos en el ensayo son los siguientes:
o Diámetro del permeámetro interno que es igual al diámetro de la muestra, D. o Altura de la muestra, L.
o Energía de presión a la entrada y salida del permeámetro. o Tiempo de duración del ensayo de cada prueba, t.
o Temperatura del ensayo de cada prueba, T.
Se calcula el gradiente hidráulico, i, mediante la ecuación siguiente:
donde:
h = es la diferencia de energía de presión a la entrada y salida del permeámetro.
L = es la longitud de la muestra en el permeámetro.
Se calcula el coeficiente de permeabilidad, k, para una serie de ensayos mediante la ecuación siguiente:
Se calcula el coeficiente de permeabilidad, k, para una temperatura de 20°C mediante la ecuación siguiente:
donde:
kT°C = Coeficiente de permeabilidad a la temperatura del ensayo.
K20°C = Coeficiente de permeabilidad a una temperatura de 20°C.
T°C= Viscosidad del agua a la temperatura del ensayo.
20°C= Viscosidad del agua a una temperatura de 20°C.
La siguiente tabla muestra valores de la relación en función de la temperatura. L h i A t i V k * * C C T C T C k k 20 20
Los siguientes valores gradiente hidráulico, h/L, son recomendados para identificar un flujo laminar en las muestras:
- Suelos granulares gruesos de 0.2 a 0.3 - Suelos fino de 0.3 a 0.5
REFERENCIAS DOCUMENTALES Y/O BIBLIOGRAFICAS
La descripción y procedimiento de este ensayo, concuerda esencialmente con: Norma Americana ASTM D2134 - 68
