Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
UNIDAD 4. PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS SUELOS COMPETENCIA ESPECÍFICA DE LA UNIDAD. Analizar la información investigada acerca de las propiedades Hidráulicas de los suelos. Determinar el coeficiente de permeabilidad de un suelo aplicando los métodos de carga constante y carga variable Identificar los métodos modernos para determinar el valor de la permeabilidad de campo. Introducción. En toda obra de ingeniería el conocimiento de las propiedades hidráulicas y mecánicas del suelo es de suma importancia para el éxito o fracaso de la construcción, el saber qué tipo de suelo es el que se encuentra en el sitio de la obra, su coeficiente de permeabilidad, la resistencia al corte del suelo y las deformaciones que este puede sufrir con la aplicación de las cargas producto de la estructura son datos que el proyectista debe conocer para que esta tenga éxito y proporcione el servicio para el cual fue planeado. Las propiedades hidráulicas del suelo son: La permeabilidad y la capilaridad. Un material es permeable cuando contiene vacíos continuos. Estos vacíos existen en todos los suelos, incluyendo las arcillas más compactas y en todos los materiales de construcción no metálicos, comprendidos el granito sano y la pasta de cemento, dichos materiales son permeables. La permeabilidad de los suelos tiene un efecto decisivo sobre el costo y las dificultades a encontrar en muchas operaciones constructivas, como lo son, por ejemplo, las excavaciones a cielo abierto en arenas bajo agua o la velocidad de consolidación de un estrato de arcilla blanda bajo el peso de un terraplén, etc. por esto es importante el estudio de la permeabilidad de los suelos en la carrera de ingeniería civil. Todos los principios de la permeabilidad de los suelos se basan en los estudios hechos por Henri Darcy, quien investigó las características del flujo del agua a través de filtros, formados de muestras de suelo. Los resultados obtenidos de esta investigación son utilizados en la mecánica de suelos para su correcta aplicación en la ingeniería civil. La permeabilidad de los suelos depende de varios factores como son : la viscosidad del fluido, la distribución del tamaño de los poros, la granulometría del suelo, la relación de vacíos, la rugosidad de las partículas minerales y el grado de saturación del suelo. El coeficiente de permeabilidad k depende del tamaño y forma de los granos que componen el suelo, de la relación de vacíos, del grado de saturación, del contenido de materia orgánica y de la temperatura y solubilidad de sus elementos. Siendo este coeficiente distinto para cada tipo de suelo, es necesario determinarlo experimentalmente mediante pruebas de permeabilidad, en cada caso particular. El coeficiente de permeabilidad de un suelo es un dato cuya determinación correcta es de fundamental importancia para la formación del criterio del proyectista en algunos problemas de Mecánica de Suelos y, en muchos casos, para la elaboración de sus cálculos. Esta prueba tiene aplicaciones en las materiales que se van emplear en presas de tierra, en Lagunas de oxidación, en estanques para cría de peces, etc. Definición de Permeabilidad. Es la facilidad con que pasa el agua a través del suelo, lo cual dependerá de los huecos o vacíos que tenga un suelo y si estos están intercomunicados; un suelo grueso tendrá más vacíos que un suelo fino, por lo que tendrá una mayor permeabilidad. El coeficiente de permeabilidad se expresa en unidades de velocidad y sus valores están comprendidos entre 10 2 y 10 -9 cm/seg. Valores típicos de permeabilidad en suelos saturados Tipo de Suelo K ( cm/seg) Grava limpia 100- 1 Arena gruesa 1- 0.01 Arena fina 0.01 -0.001 Arcilla limosa 0.001 -0.00001 Arcilla 0.000001 Ecuación de Bernoulli De la mecánica de fluidos sabemos que, de acuerdo a la ecuación de Bernoulli, la carga total en un punto en agua en movimiento se da como la suma de las cargas de presión, velocidad y elevación o: Donde: h= Carga total. u= Presión. v= Velocidad. g= Aceleración de la gravedad. w= Peso específico del agua. Note que la carga de altura Z es la distancia vertical de un punto dado arriba o debajo de un plano de referencia. La carga de presión es la presión u del agua en ese punto dividida entre el peso específico w del agua. Si se aplica la ecuación de Bernoulli al flujo de agua a través de un suelo medio poroso, el término que contiene la carga de velocidad se desprecia porque la velocidad de infiltración es pequeña. La carga total en cualquier punto entonces se representa adecuadamente por: La Figura 4 muestra la relación entre la carga de presión, la carga por elevación y las cargas totales para el flujo de agua a través del suelo. Tubos verticales abiertos llamados piezómetros, son instalados en los puntos A y B. Los niveles a los que el agua se eleva en los piezómetros situados en los puntos A y B se conocen como niveles piezométricos de los puntos A y B, respectivamente. La carga de presión en un punto es la altura de la columna vertical de agua en el piezómetro instalado en ese punto Figura 4-Carga de presión, carga de elevación y cargas totales para el flujo de agua a través de un suelo. Plano de referencia L A B h h Z Z h B A A B u B w u A w Flujo La pérdida de carga entre dos puntos A y B, se da por: La pérdida de carga h se expresa en forma a dimensional como: Donde: i= gradiente hidráulico. L= distancia entre los puntos A y B; es decir, la longitud de flujo en la que ocurre la perdida de carga. 4.1 FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO. En general distinguiremos dos tipos de flujo: laminar y turbulento. El flujo laminar (Figura 4.1a) es aquel en el cual las partículas de agua se mueven o desplazan sin interferencias, o sea, que las partículas no chocan entre sí. Es característico de los limos y las arcillas, pero puede ocurrir en las arenas bajo ciertas condiciones hidráulicas. Un flujo se definirá como turbulento (Figura 4.1b) cuando las líneas de flujo se juntan debido al choque de las partículas de agua que se mueven indisciplinadamente. Es propio de las gravas. Si en un tubo se inserta una fuente puntual de tintura como se muestra en la figuras se tiene una distinción objetiva entre los dos tipos de flujo observando la trayectoria trazada por la tintura. Nótese que las líneas de flujo laminar están contenidas en un plano, mientras que las trayectorias en el flujo turbulento son volumétricas. Figura 4.1 - Flujo laminar y flujo turbulento. Se sabe que a velocidades bajas un flujo ocurre en forma laminar, mientras que al aumentar aquellas se llega a un límite en que se transforma en turbulento; si en ese punto la velocidad se reduce, el flujo volverá a ser laminar, pero la nueva transición ocurre, generalmente, a menor velocidad que la primera, esto indica la existencia de un intervalo de velocidades en el cual el flujo puede ser laminar o turbulento. Reynolds probo que existe una cierta velocidad en cada líquido debajo de la cual, para un cierto diámetro de conducción y a una temperatura dada el flujo siempre es laminar. Esta velocidad se define como la crítica. Similarmente, existe una velocidad mayor arriba de la cual el flujo siempre es turbulento: en el caso del agua esta segunda velocidad es aproximadamente, igual a 6.5 veces la velocidad crítica. Reynolds encontró que la velocidad crítica del agua puede expresarse por la ecuación: Donde: vc= Velocidad critica, en cm/seg. T= Temperatura del agua, en º C D= Diámetro de conducción, en cm. Así, la velocidad crítica resulta ser inversamente proporcional al diámetro de la conducción por la que ocurre el flujo. En general, la variación de la velocidadv con el gradiente hidráulico i se muestra en la Figura 4.2. Esta figura se divide en tres zonas: Zona de flujo laminar (Zona I). (2a) Flujo Laminar (2b) Flujo turbulento 4.1 Zona de transición (Zona II). Zona de flujo turbulento (Zona III). Cuando el gradiente hidráulico se incrementa gradualmente, el flujo permanece laminar en las zonas I y II, y la velocidad v asume una relación lineal respecto al gradiente hidráulico. En un gradiente hidráulico mayor, el flujo se vuelve turbulento (Zona III). Cuando el gradiente hidráulico es disminuido, las condiciones de flujo laminar existen solo en la zona I. En la mayoría de los suelos, el flujo de agua a través de los espacios vacíos se considera laminar entonces: En rocas, piedras y gravas fracturadas así como en arenas muy gruesas, existen condiciones de flujo turbulento y la ecuación anterior puede no ser válida. Figura 4.2 Variación de la velocidad (v) con el gradiente hidráulico. La diferencia principal entre ambos estriba en que en el flujo laminar, la energía disponible se pierde por resistencias viscosas entre las diversas laminas liquidas en desplazamiento relativo; en el caso del flujo turbulento, por otra parte, existe una perdida continua de energía debido a las diferentes velocidades de las partículas adyacentes de líquido aun cuando la masa fluya a velocidad constante. Zona III Zona de flujo turbulento Zona II Zona de transición Zona I Zona de flujo laminar Gradiente hidráulico i V el oc id ad v 4.2 La velocidad media en un conducto en régimen laminar o turbulento es función de la perdida de carga hidráulica por unidad de longitud (gradiente hidráulico). En el flujo turbulento la velocidad es aproximadamente proporcional a i1/2 y más exactamente a i4/7. En el flujo laminar la velocidad resulta ser proporcional a i, simplemente. 4.2 LEY DE DARCY Y COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DEL SUELO En 1856 Henri Philibert Garpard Darcy publicó una simple ecuación empírica para la velocidad de descarga del agua a través de suelos saturados; se basa principalmente en sus observaciones relativas al flujo de agua a través de arenas limpias y se expresa por: Donde: v= Velocidad de descarga, que es la cantidad de agua que fluye por unidad de tiempo a través de una sección transversal total unitaria de suelo perpendicular a la dirección de flujo. k= Coeficiente de permeabilidad. El coeficiente de permeabilidad se expresa en cm/seg o m/seg y la descarga en m3. Debe señalarse que la longitud se expresa en mm o en m, por lo que, el coeficiente de permeabilidad debería expresarse en mm/seg en vez de cm/seg. Sin embargo, los ingenieros en geotecnia continúan usando cm/seg como la unidad del coeficiente de permeabilidad. Nótese que la ecuación (4.3) es similar a la (4.2); ambas son válidas para condiciones de flujo laminar y aplicables a un amplio rango de suelos. En la ecuación (4.3), v es la velocidad de descarga de agua basada en el área de sección transversal total del suelo. Sin embargo, la velocidad real del agua (es decir, la velocidad de infiltración) a través de los espacios vacíos es mayor que v. Una relación entre la velocidad de descarga y la velocidad de infiltración se deriva con referencia a la Figura 4.4, que muestra un suelo de longitud L con un área de sección 4.3 transversal total A. Si la cantidad de agua que fluye a través del suelo en unidad de tiempo es q, entonces: Figura 4.4 -Obtención de la ecuación 4.7. (4.4) Donde: Velocidad de infiltración Área de vacíos en la sección transversal del espécimen Sin embargo (4.5) Donde As es el área de sólidos del suelo en la sección transversal del espécimen. Combinando las ecuaciones (4.4) y (4.5) se obtiene: L Tasa de flujo q o gasto Área del especimen de suelo= A Área de vacios en la sección transverzal= Av Área de sólidos del suelo en la sección transverzal= As ó (4.6) Donde: Vv= Volumen de vacíos del espécimen. Vs= Volumen de sólidos del suelo en el espécimen. La ecuación (4.6) se reescribe como: (4.7) Donde: e= Relación de vacíos n= Porosidad Recuerde que los términos velocidad real y velocidad de infiltración se definen en sentido promedio. Las velocidades real y de infiltración varían con la posición dentro del volumen de poros del suelo. 4.3 METODOS PARA MEDIR EL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DEL SUELO Métodos para medir la permeabilidad. Existen varios procedimientos para la determinación del coeficiente de permeabilidad de los suelos: unos “directos”, llamados así porque se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de tal coeficiente; otros indirectos, proporcionados, en forma secundaria, por pruebas y técnicas que primariamente persiguen otros fines. Estos métodos son los siguientes: Métodos directos: Permeámetro de carga constante. Permeámetro de carga variable. Prueba Lefranc y Leugon. Métodos indirectos: Calculo a partir del análisis granulométrico. Calculo a partir de la prueba de consolidación. Calculo con la prueba horizontal de capilaridad. Determinación de la permeabilidad en el laboratorio. Los métodos para realizar las pruebas de laboratorio son: de carga constante y carga variable. El método de carga constante es utilizado para determinar el valor del coeficiente de permeabilidad de suelos gruesos como son gravas y arena, y el de carga variable para los suelos finos donde el flujo que existe en el suelo es muy pequeño. Método de Carga Constante. Como ya sabemos, H. Darcy estableció la ley que rige el flujo del agua a través de los suelos, expresándola como sigue: ……………… En donde: Q= Gasto que pasa a través de la muestra. k= Coeficiente de permeabilidad. i= Gradiente hidráulico. A= Área de la sección transversal de la muestra. t = tiempo en que tarda en filtrarse el agua en cm. Con el objeto de establecer una base comparativa es conveniente expresar el coeficiente de permeabilidad refiriéndolo a la temperatura de 20ºC. Si se conoce el valor de k, a cualquier temperatura T, su valor a 20ºC será: …………………………… 4.9 Siendo la viscosidad dinámica del agua. Los valores de para diferentes temperaturas aparecen en forma tabulada en la Lámina 10.1. Este método es poco práctico en suelos de baja permeabilidad debido a que el tiempo de prueba se hace muy largo, usando gradientes hidráulicos razonables. Su empleo está indicado para grava, arena o una mezcla de ambos. El procedimiento general consiste en someter una muestra de suelo a un escurrimiento de agua bajo una carga constante. Es necesario conocer el área de la sección transversal de la muestra, su longitud, la carga a que está sometida y la temperatura del agua. Figura 4.5 Esquema de un permeámetro de carga constante Método de Carga Variable. Esta prueba se utiliza para determinar el coeficiente de permeabilidad de suelos relativamente impermeables, tales como mezclas de arena, limo y arcilla; limos con arcilla o arcillas simplemente. El coeficiente de permeabilidad para estos suelos varía entre 10-4 y 10-9 cm/seg. En este tipo de permeámetro se logra medir el volumen de agua que atraviesa una muestra de suelo, pordiferencia de niveles en un tubo alimentador. Al llevar a cabo la prueba se llena de agua el tubo vertical del permeámetro observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra. En las arcillas muy finas su permeabilidad se obtiene por medio de la prueba de consolidación, pues su baja permeabilidad daría paso a tiempos de prueba muy largos y la evaporación y los cambios de temperatura producirían errores de mucha consideración. L A h Suelo Figura 4.6. Esquema de un Permeámetro de Carga Variable. Donde: a= área del tubo vertical de carga A= área de la muestra L= longitud de la muestra h1= carga hidráulica al principio de la prueba h2= carga hidráulica al final de la prueba Tomado en consideración un tiempo dt, la cantidad de agua (cm3) que atraviesa la muestra será según la ley de Darcy: Al mismo tiempo, en el tubo vertical, el agua habrá tenido un descenso dh y la cantidad de agua que atravesó la muestra en el tiempo dt se puede escribir de la siguiente manera: Igualando 4.10 y 4.11 pues las dos se refieren al volumen, tenemos: Integrando esta esta igualdad, tenemos: ∫ ∫ Despejando el valor de k obtenemos la expresión para el cálculo del coeficiente de permeabilidad bajo carga variable. Con el objeto de establecer una base comparativa es conveniente expresar el coeficiente de permeabilidad refiriéndolo a la temperatura de 20ºC. Si se conoce el valor de k, a cualquier temperatura T, su valor a 20ºC será: …………………………… 4.16 Siendo la viscosidad dinámica del agua. Los valores de para diferentes temperaturas aparecen en forma tabulada en la Lámina 4.1. 4.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS. El coeficiente de permeabilidad k depende de: Tamaño y forma de los granos que componen el suelo La relación de vacíos El grado de saturación del suelo El contenido de materia orgánica La temperatura y solubilidad de sus elementos. La distribución granulométrica del suelo Las grietas y fisuras La porosidad del suelo Influencia de la relación de vacíos La viscosidad del agua. Si un suelo es comprimido o vibrado, el volumen ocupado por sus elementos sólidos permanece prácticamente invariable, mientras que el volumen de los vacíos disminuye. Por lo tanto, la permeabilidad de los suelos también disminuye. Si un suelo contiene burbujas de aire, el tamaño de las burbujas disminuye al aumentar la presión de agua, de modo que el coeficiente de permeabilidad aumenta con la carga hidráulica. En las arcillas que contienen agujeros de raíces o fisuras abiertas, la circulación del agua trae casi siempre aparejada una erosión interna y las partículas erosionadas van a llenar poco a poco los pasajes más estrechos, con lo cual el coeficiente de permeabilidad disminuye a un valor muy pequeño con respecto al valor inicial. Por ello, la ley de Darcy no es válida más que en el caso en que el volumen y la forma de los canales de escurrimiento son independientes de la presión y el tiempo. Es posible analizar teóricamente la variación del coeficiente de permeabilidad de un suelo respecto a su relación de vacíos, siempre y cuando se adopten para el suelo hipótesis simplificativas cuyo carácter permita que las conclusiones del análisis den información cualitativa correcta. L La permeabilidad k puede escribirse como: Donde k1 es una constante real que depende de la temperatura del agua solamente, que representa el coeficiente de permeabilidad para e=1.0 y F(e) es una función de la relación de vacíos y tal que F(1)=1. Para fines prácticos la función más simple es del tipo: Para arenas Para arcillas Donde C es una constante de ajuste para cumplir las condiciones particulares arriba mencionadas y es la relación de vacíos efectiva, desde el punto de vista del espacio que efectivamente se tienen para el flujo de agua. Influencia de la temperatura. Efectuando un análisis teórico, puede observarse que, al ir variando la temperatura y manteniendo los demás factores constantes existe la relación: En donde v es la viscosidad cinemática del agua. Para poder comparar fácilmente los resultados de la prueba de permeabilidad, es conveniente referirlos a una temperatura constante, normalmente 20 ºC. Indicando con el subíndice T los resultados obtenidos a la temperatura de prueba, la referencia se hace aplicando la relación . La relación es correcta para arenas, encontrándose pequeñas desviaciones en arcillas. Influencia de la estructura y la estratificación Un suelo suele tener permeabilidades diferentes en estado inalterado y remoldeado, aun cuando la relación de vacíos sea la misma en ambos casos; esto puede ser debido a los cambios en la estructura y la estratificación del suelo inalterado o una combinación de los dos factores. Pueden observarse variaciones importantes en la permeabilidad debido a que en el remoldeo quedan libres partículas del suelo y que el agua al fluir las mueve y reacomoda hasta obturar los canales; en otras ocasiones estas partículas son arrastradas al exterior de la muestra, causando la turbidez del agua de salida. En tales casos el coeficiente de permeabilidad variara durante la prueba. Esta condición inestable en una fracción de las partículas del suelo es, frecuentemente, resultado de la mezcla de materiales provenientes de estratos de características diferentes. Esta condición es casi inevitable al probar muestras remoldeadas. En general, los suelos con coeficiente de permeabilidad comprendido entre 10-5 y 10-3 cm/seg, son los que presentan el peligro de permitir el desplazamiento de las partículas por efecto de las fuerzas de filtración. Algunas veces, aun en muestras inalteradas de suelo, presentan inestabilidad interna bajo el flujo, característica que es de fundamental importancia en los estudios de cimentaciones de presas. Como la mayoría de los suelos están estratificados, es preciso determinar el coeficiente de permeabilidad tanto en dirección paralela como normal a los planos de estratificación. Para determinar el coeficiente de permeabilidad en tales depósitos, se obtienen muestras representativas de cada capa y se ensaya independientemente, para conocer el valor de k correspondiente a cada estrato individual. El coeficiente de permeabilidad de una estratificación en sentido normal a los planos será: La permeabilidad menor que se encuentre en los ensayos de las capas individuales del estrato. Influencia de la presencia de agujeros, fisuras, etc. A causa de heladas, ciclos alternados de humedecimiento y secado, efectos de vegetación y pequeños organismos, etc., pueden cambiar las características de permeabilidad de los suelos, convirtiéndose aun la arcilla más permeable en material poroso. El efecto no suele ser muy importante, sin embargo, en las obras ingenieriles, conservando toda su influencia en problemas agrícolas. PRÁCTICA. Permeabilidad de carga constante. Competencias que específicas y genéricas de la práctica. Permeabilidad de carga constante. Competencia especifica. Evaluar el coeficiente de permeabilidad K de un suelo grueso utilizando el permeámetro de carga constante. Objetivo Específico: Determinar el coeficiente de permeabilidad K deuna muestra de suelo grueso utilizando el permeámetro de carga constante. Material y equipo necesario para la práctica Permeabilidad de carga constante. Figura 4.7. Equipo utilizado en la Permeabilidad de carga constante Permeámetro de carga constante para gravas o arenas Dispositivo de abastecimiento de agua Termómetro Espátula Charola rectangular de 50 x 80 cm Charolas circulares de 20 cm de diámetro. Probetas de 1000, 500, 200 y 100 ml Cronometro Pisón metálico de 4 cm de diámetro y 300 gr de peso Balanza de 300 gr. Capacidad Papel filtro Piedras porosas Calibrador vernier Pinzas o alicate Flanera de aluminio Bascula de 20 kg de capacidad Malla No. 100 (0.149 mm) Flexómetro Horno de secado con 100 ° C de temperatura Varilla punta de bala. Procedimiento de la Práctica de Permeabilidad de Carga constante. Procedimiento con permeámetro para muestras arenosas. A continuación se presenta el procedimiento de la prueba de carga constante para las arenas, en las gravas se aplica el mismo con la variante que la muestra se prepara de diferente forma. Paso 1. Se selecciona por el método del cuarteo una muestra para el ensayo, igual a una cantidad aproximada de dos veces la requerida para llenar la cámara del permeámetro. Paso 2. Se miden el diámetro interior promedio del permeámetro y su longitud media con el vernier y se determina su área transversal (A), su longitud (L) registrando estos datos en la lámina 10. Figura 4.7 Método de cuarteo Figura 4.8.Medición del diámetro interior promedio así como la altura del Permeámetro para determinar el área y volumen de la muestra. Paso 3. Se vierte agua en la charola y se colocan las piedras porosas en esta a fin de saturarlas, se cortan dos discos de papel filtro de la medida de las piedras porosas. Con el permeámetro armado colocamos una de las piedras porosas en el fondo del molde y sobre esta el papel filtro ya saturado en el extremo inferior del Permeámetro y se pesa este conjunto, que se considera como la tara, registrando su valor en la lámina 10 en el renglón de W permeámetro (tara) , también anotamos el número de permeámetro. Figura 10.4. Preparación de los filtros de papel Figura 4.9. Preparación de los filtros de papel Figura 4.10. Saturación de las piedras, colocación de la piedra y el papel filtro en el molde del permeámetro para su pesado en la báscula. Paso 4. Si la muestra es inalterada se labra y se introduce en el permeámetro metálico. Cuando la muestra es alterada se construye dentro del permeámetro, utilizando el resultado de una prueba Próctor , para lo cual se debe humedecer con la humedad correspondiente al peso específico que se requiere , debe tenerse la precaución de homogenizar la humedad en toda la muestra. Paso 5.- La compactación de la muestra dentro del permeámetro se realiza colocando tres capas de suelo, a cada capa se le darán golpes para lograrla. El número de golpes, humedad y el espesor de las capas, se debe hallar por medio de ensayos preliminares de compactación, a fin de que el espécimen tenga la misma relación de vacíos que se obtiene en su correspondiente prueba de densidad relativa. Para fines prácticos consideramos 20 golpes; así como una cantidad apropiada de agua para poder compactar la muestra en el molde sin saturarla. Se coloca la primera capa de muestra, procurando que esta ocupa aproximadamente un tercio del volumen del molde o permeámetro(cámara 1) procurando distribuirlo en toda el área y distribuyéndola uniformemente para compactarla apisonándola con un número de golpes (20 golpes), a fin de que la muestra quede uniformemente compactada en todo su espesor, se repite la operación con la segunda capa; en la tercera capa se coloca la extensión del molde metálico o permeámetro ( cámara 2), la muestra debe quedar un poco arriba de la frontera del molde y la extensión , se retira la extensión y enrasamos con la ayuda de la espátula. Figura 4.11. Preparación de la muestra para construir la probeta de prueba Figura 4.12.-En las imágenes se muestra la saturación de la muestra, el llenado de la cámara del Permeámetro, la compactación de las capas y enrase. Paso 6.Una vez lleno el Permeámetro con la muestra; tomamos una muestra testigo de la charola para determinar el contenido de humedad en la muestra y así utilizar el mismo contenido de humedad en los posteriores ensayos. Los valores de los pesos de la tara y la tara + muestra húmeda se anotan en la lámina 10. Figura 4.13 .Pesado de la muestra testigo para la determinación del contenido de humedad. Paso 7.- Se pesa el permeámetro con la muestra compactada; este peso menos el de la tara representa el peso de la muestra húmeda, que se anota en el renglón respectivo de la lámina 10, así como la longitud de la muestra (L). Figura 4.14. Pesado de la muestra en la cámara 1 del permeámetro.. Paso 8. Posteriormente se coloca papel filtro encima de la muestra compactada y sobre este la segunda piedra porosa; se termina de armar el permeámetro y se sella para que no existan fugas. Figura 4.15. Colocación de la piedra porosa y la cámara 2 del permeámetro para después colocarle la tapa y sellarlo. Paso 9.-Se coloca el permeámetro en posición de prueba, agregándole agua hasta derramar a fin de eliminar el aire en la muestra, conectándolo al dispositivo de abastecimiento y dando un gradiente menor que 4, para evitar la canalización y boiling*. Figura 4.16- Permeámetro en posición de prueba. * En el caso de muestras muy arenosas, es importante es importante no dar un gradiente muy cercano a la unidad, porque provoca el fenómeno conocido como boiling que consiste en poner en suspensión las partículas de arena. Para determinar el gradiente hidráulico deberá medirse la carga hidráulica con el Flexómetro, desde el nivel del agua del dispositivo de carga hasta el inicio de la muestra que está en la cámara 1. El gradiente i en permeabilidad está dado por el cociente de la carga de agua h entre la longitud de la muestra L. Paso 9.Se deja escurrir el agua por espacio de 5 minutos a fin de establecer un régimen. Paso 10. .- Una vez establecido el régimen, se cierra la llave que abastece la muestra y se toma la carga h y se procede a iniciar con el ensayo. Figura 4.16. Establecimiento del régimen a fin de eliminar aire atrapado en la muestra Paso 11.- Seguidamente se coloca una probeta, para recolectar el agua que pasa a través de la muestra, una vez realizado esto procedemos a abrir la llave que abastece la muestra al mismo tiempo que ponemos en marcha el cronometro. Figura 4.17.Recolección del agua que pasa a través de la muestra para la determinación del coeficiente de permeabilidad. Paso 12. Transcurrido un tiempo cerramos la llave que abastece la muestra al mismo tiempo que detenemos el cronometro. Se mide el volumen filtrado en la probeta, se toma la temperatura del agua filtrada y se anotan conjuntamente con el tiempo en la lámina 10. Figura 4.18. Medición de la temperatura del agua. Paso 13.-Se repite el proceso anteriormente descrito hasta encontrar una concordancia satisfactoria en los resultados, variando la carga de agua. Se recomienda repetir la prueba cinco veces como mínimo para tener un promedio de la permeabilidad bajo la carga aplicada. Procedimiento con permeámetro para muestras de grava. A continuación se presenta el procedimiento de la prueba de carga constante para las gravas. Paso 1. Se seleccionapor el método del cuarteo una muestra para el ensayo, igual a una cantidad aproximada de dos veces la requerida para llenar la cámara del permeámetro. Paso 2. Se miden el diámetro interior promedio del permeámetro y su longitud media con el vernier y se determina su área transversal (A) , su longitud (L) registrando estos datos en la Lámina 10. Figura 4.19. Método del cuarteo. Figura 4.19.Medición del diámetro interior promedio así como la altura del Permeámetro para determinar el área y volumen de la muestra. Paso 3. Se vierte agua en la charola y se colocan las piedras porosas en esta a fin de saturarlas, se cortan dos discos de papel filtro de la medida de las piedras porosas. Con el permeámetro armado colocamos una de las piedras porosas en el fondo del molde y sobre esta el papel filtro ya saturado en el extremo inferior del Permeámetro y se pesa este conjunto, que se considera como la tara, registrando su valor en la lámina 10 en el renglón de W permeámetro (tara), también anotamos el número de permeámetro. Figura 4.20. Preparación de los filtros de papel Figura 4.21. Saturación de las piedras, colocación de la piedra y el papel filtro en el molde del permeámetro para su pesado en la báscula. Paso 4. Como la muestra es alterada se construye dentro del permeámetro, para lo cual se debe humedecer con la humedad correspondiente al peso específico que se requiere, debe tenerse la precaución de homogenizar la humedad en toda la muestra. Se coloca la muestra en la primera cámara del permeámetro procurando cubrir toda el área del molde o cilindro y distribuyéndola uniformemente en tres capas a las cuales se les dan 20 veces con la varillla de punta de bala, a fin de que la muestra quede uniformemente compactada en todo su espesor, la muestra debe quedar al ras de la primera cámara del permeámetro, para lograr esto, al colocar la última de las capas de la muestra, colocaremos la segunda cámara del permeámetro y al terminar de compactar la muestra retiraremos la segunda cámara de este y enrasaremos la muestra con ayuda de la varilla. Figura 4.22.-En las imágenes se muestra el llenado de la cámara del Permeámetro, la colocación de las capas y enrase. Paso 5.Una vez lleno el Permeámetro con la muestra; tomamos una muestra testigo de la charola para determinar el contenido de humedad en la muestra y así utilizar el mismo contenido de humedad en los posteriores ensayos. Los valores de los pesos de la tara y la tara + muestra húmeda se anotan en la lámina 10. Figura 4.23 .Pesado de la muestra testigo para la determinación del contenido de humedad. Paso 6.- Se pesa el permeámetro con la muestra compactada; este peso menos el del permeámetro (tara) representa el peso de la muestra húmeda, que se anota en el renglón respectivo de la lámina 10, así como la longitud de la muestra (L). Paso 7. Posteriormente se coloca papel filtro encima de la muestra compactada y sobre este la segunda piedra porosa; se termina de armar el permeámetro y se sella para que no existan fugas. Figura 4.24. Colocación de la piedra porosa y la cámara 2 del permeámetro para después colocarle la tapa y sellarlo. Paso 8.-Se coloca el permeámetro en posición de prueba, agregándole agua hasta derramar a fin de eliminar el aire en la muestra, conectándolo al dispositivo de abastecimiento y dando un gradiente menor que 4, para evitar la canalización y boiling*. Figura 4.25- Permeámetro en posición de prueba. Para determinar el gradiente hidráulico deberá medirse la carga hidráulica con el flexómetro, desde el nivel del agua del dispositivo de carga hasta el inicio de la muestra que está en la cámara 1. El gradiente i en permeabilidad está dado por el cociente de la carga de agua h entre la longitud de la muestra L. Paso 9. Se deja escurrir el agua por espacio de 5 minutos a fin de establecer un régimen. Paso 10. .- Una vez establecido el régimen, se cierra la llave que abastece la muestra y se toma la carga h y se procede a iniciar con el ensayo. Figura 4.26. Establecimiento del régimen a fin de eliminar aire atrapado en la muestra. Paso 11.- Seguidamente se coloca una probeta, para recolectar el agua que pasa a través de la muestra, una vez realizado esto procedemos a abrir la llave que abastece la muestra al mismo tiempo que ponemos en marcha el cronometro. Figura 4.27.Recolección del agua que pasa a través de la muestra para la determinación del coeficiente de permeabilidad. Paso 12. Transcurrido un tiempo cerramos la llave que abastece la muestra al mismo tiempo que detenemos el cronometro. Se mide el volumen filtrado en la probeta, se toma la temperatura del agua filtrada y se anotan conjuntamente con el tiempo en la lámina 10. Paso 13.-Se repite el proceso anteriormente descrito hasta encontrar una concordancia satisfactoria en los resultados, variando la carga de agua. Se recomienda repetir la prueba cinco veces como mínimo para tener un promedio de la permeabilidad bajo la carga aplicada. Reporte del alumno (resultados) de la Práctica No. 7. Permeabilidad de carga constante. Para determinar el valor del coeficiente de permeabilidad del suelo realizamos los cálculos utilizando la lámina 10. 1. Procedencia. En esta columna se coloca el lugar de procedencia de la muestra de suelo. 2. Identificación de laboratorio. Se anota la identificación del laboratorio asignada a la muestra. 3. Datos del permeámetro y de la muestra: No. Cilindro. Se anota el número del permeámetro asignado por el laboratorio. Diámetro de la muestra (D). En esta celda se coloca el diámetro promedio del permeámetro medido con el vernier en cm. Longitud de la muestra (L). Longitud promedio del molde del permeámetro medido con el vernier en cm. Área de la muestra (A). Calculo del área de permeámetro aplicando alguna de las siguientes fórmulas. Volumen de la muestra V. Cálculo del volumen del permeámetro es igual al volumen de la muestra de suelo, este permanece igual durante toda la prueba. W Permeámetro (Tara). En este espacio vamos a anotar el peso del permeámetro vacío obtenido en la báscula en gr. Densidad de solidos (Gs). En esta celda vamos a colocar el valor del peso específico relativo del suelo obtenido al realizar la práctica No. 3 de este manual. 𝛍t = Viscosidad promedio del agua filtrada a la temperatura de la prueba obtenida en la lámina 10.1 en °C. 𝛍20 = Viscosidad del agua a 20 grados, obtenido en la lámina 10.1. T °C = En esta celda se coloca la temperatura promedio de la prueba. 4. Datos antes de la prueba: Permeámetro +Muestra Húmeda. En este espacio vamos a anotar el peso del permeámetro con la muestra húmeda antes de la prueba (paso 6) en gr. W = Peso del suelo o muestra contenido dentro del permeámetro se obtiene al restar al peso del permeámetro + muestra húmeda el peso del permeámetro vacío Ws. Peso de los sólidos en gr. que contiene la muestra utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante. Se obtiene al dividir el peso W entre el contenido de húmedas testigo del suelo antes de la prueba. El peso de los sólidos es el mismo antes y después de la prueba. Ww. Peso del agua de la muestra de suelo antes de la prueba, se obtiene al restarle al peso de la muestra el peso de los sólidos. Vs Volumen de los sólidos de la muestra de suelo contenida en el permeámetro de carga constante. Se obtiene con la fórmula de Gs. Vw. Volumen del agua o de la fase liquida de la muestra de suelo contenidaen el permeámetro antes de la prueba. Se obtiene al dividir el peso del agua entre el peso específico relativo del agua que es igual a 1 gr / cm3. Vv. Volumen de vacíos de la muestra antes de la prueba. Se obtiene al restarle al volumen total el de los sólidos. e. Relación de vacíos al inicio de la prueba, se calcula dividiendo el volumen de vacíos entre el volumen de sólidos de la muestra esta no varía durante la prueba, ya que los vacíos se llenan de agua pero no aumentan ni disminuyen. Siendo: Vv = Volumen de vacíos en cm3 Vs = Volumen de sólidos en cm3 Ws = Peso de sólidos en gr. V = Volumen total o volumen del permeámetro en cm3 Gs = Densidad de sólidos. S (%). Grado de saturación del agua antes de la prueba, este valor lo calculamos, dividiendo el volumen del agua entre el volumen de vacíos y lo expresamos en porcentaje. Υ. Peso específico de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante al inicio de la prueba. Se obtiene al dividir el peso W entre el volumen V de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. Υd. Peso específico seco de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante al inicio de la prueba. Se obtiene al dividir el peso Ws entre el volumen V de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. Como el peso de los sólidos no cambia durante la prueba este peso permanece igual después de la prueba ω (%). Contenido de humedad inicial de la muestra de suelo colocada en el permeámetro antes de la prueba , se calcula con la siguiente expresión 5. Datos después de la prueba: W Permeámetro +Muestra Húmeda. En este espacio vamos a anotar el peso del permeámetro con la muestra húmeda después de haber concluido la prueba en gr. W = Peso del suelo o muestra contenido dentro del permeámetro después de haber realizado la prueba, se obtiene al restar al peso del permeámetro + muestra húmeda el peso del permeámetro vacío se expresa en gr. Aplicamos la fórmula 4.19 Ws. Peso de los sólidos en gr. que contiene la muestra utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante. Se obtiene al dividir el peso W entre el contenido de húmedas testigo del suelo antes de la prueba, este peso no varía durante la prueba por lo que es igual al Ws antes de la prueba obtenido con la fórmula 4.20 Ww. Peso del agua de la muestra de suelo después de la prueba, se obtiene al restarle al peso del suelo después de la prueba el de los sólidos. Se aplica la fórmula 4.21. Vs Volumen de los sólidos de la muestra de suelo contenida en el permeámetro de carga constante. Se obtiene con la fórmula de Gs. Es un valor que permanece constante durante la prueba y se obtiene con la expresión 4.22 Vw. Volumen del agua o de la fase liquida de la muestra de suelo contenida en el permeámetro después de la prueba. Se obtiene al dividir el peso del agua después de la prueba entre el peso específico relativo del agua que es igual a 1 gr / cm3. Podemos utilizar la expresión 4.23 para calcularlo. Vv. Volumen de vacíos de la muestra después de la prueba. Se obtiene al restarle al volumen total el de los sólidos. Se utiliza la fórmula 4.24, este volumen permanece constante durante la prueba. e. Relación de vacíos al inicio de la prueba, se calcula dividiendo el volumen de vacíos entre el volumen de sólidos de la muestra esta no varía durante la prueba, ya que los vacíos se llenan de agua pero no aumentan ni disminuyen. Utilizamos para su calcula la fórmula 4.25. S (%). Grado de saturación del agua después de la prueba, este valor lo calculamos, dividiendo el volumen del agua después de la prueba entre el volumen de vacíos y lo expresamos en porcentaje. Para calcularlo utilizamos la expresión 4.26 Υ. Peso específico de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante después de la prueba. Se obtiene al dividir el peso W obtenido al final de la prueba entre el volumen V inicial de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. La fórmula 4.27 es la adecuada para su calculo Υd. Peso específico seco de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante después de la prueba. Se obtiene al dividir el peso Ws entre el volumen V de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. Como el peso de los sólidos no cambia durante la prueba este peso permanece igual después de la prueba. Aplicando la expresión 4.28 podemos calcularlo. ω (%). Contenido de humedad de la muestra de suelo después de la prueba , se calcula con la siguiente expresión: 6. Testigo de Humedad: Wh + tara. En esta celda vamos a anotar el peso de la muestra húmeda + tara en gr , obtenido al realizar la prueba de permeabilidad de carga constante. Ws + tara. Peso seco de la muestra testigo + tara en gr, después de haber permanecido un periodo de 18 a 24 horas en el horno de secado a una temperatura constante de 100 °C sacamos la muestra del horno, la dejamos enfriar y se pesa anotando el peso en esta celda. W tara = Peso de la tara o recipiente vacía en gr, utilizado para el testigo de humedad. ω. Contenido de Humedad de la muestra testigo calculada con la fórmula 4.29. 7. Fecha. Anotamos la fecha en que se realiza la medición de la permeabilidad a la muestra. 8. Hora. Colocamos la hora en que aplicamos la carga a la muestra de suelo del permeámetro de carga constante para determinarle su permeabilidad. 9. Temperatura T °C. En esta celda anotamos la temperatura del agua filtrada en cada una de las mediciones realizadas para determinar el valor del coeficiente de permeabilidad de la muestra de suelo analizada. 10. Tiempo t en seg. Cuando realizamos las mediciones para obtener el volumen filtrado, tomamos el tiempo en seg que transcurre para que se filtre dicho volumen, en esta celda colocamos ese tiempo en seg. 11. Carga Hidráulica h en cm. Anotamos el valor de la carga hidráulica medida en cad una de las mediciones para determinar la permeabilidad el suelo. 12. Gradiente hidráulico h/l. El gradiente hidráulico aplicado al suelo en la prueba se calcula dividiendo la carga hidráulica h entre la longitud de la muestra de suelo L, es un valor sin unidades. 13. Lectura de la probeta en cm3. En esta celda colocamos el valor inicial del volumen de la probeta en cm3 para cada una de las determinaciones de la permeabilidad de la muestra de suelo. 14. Volumen Q en cm3. El volumen filtrado Q se obtiene al restar la lectura inicial de la probeta a cada una de las lecturas de la probeta para cada uno de los tiempos aplicado para determinar la permeabilidad de la muestra de suelo. 15. Kt. Coeficiente de permeabilidad a la temperatura de las mediciones. Para calcular el coeficiente de permeabilidad se aplica la expresión siguiente: Siendo: Q = El volumen de agua medido en cm3. L = La longitud de la muestra en cm. A = El área de la sección transversal del espécimen en cm2. h = La carga bajo la cual se produce la filtración en cm. t = El tiempo en que se efectuó la prueba, expresado en segundos. 15. K20. Coeficiente de permeabilidad a 20 ° de temperatura, se reduce el valor del coeficiente de permeabilidad a la temperatura de 20ºC, mediante la expresión: 16. Permeabilidad media. Es el promedio de los valores de K a 20°C , obtenidos para cada uno de las mediciones realizadas. En la parte inferior de lalámina 10, se piden datos de identificación del estudiante como son: la clave del grupo, el número de equipo en que trabajo, su nombre completo, y la fecha en que se realizó la práctica: así como el sello y la firma del encargado de dirigir la práctica. GRADOS 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 1.3012 1.2976 1.294 1.2903 1.2867 1.2831 1.2795 1.2759 1.2722 1.2686 11 1.265 1.2615 1.258 1.2545 1.251 1.2476 1.2441 1.2406 1.2371 1.2336 12 1.2301 1.2268 1.2234 1.2201 1.2168 1.2135 1.2101 1.2068 1.2035 1.2001 13 1.1968 1.1936 1.1905 1.1873 1.1841 1.181 1.1767 1.1746 1.1714 1.1683 14 1.1651 1.1621 1.159 1.156 1.1529 1.1499 1.1469 1.1438 1.1408 1.1377 15 1.1347 1.1318 1.1289 1.126 1.1231 1.1202 1.1172 1.1143 1.1114 1.1085 16 1.1056 1.1028 1.0999 1.0971 1.0943 1.0915 1.0887 1.8059 1.0803 1.0802 17 1.0774 1.0747 1.072 1.0693 1.0667 1.064 1.0613 1.0586 1.056 1.0533 18 1.0507 1.048 1.0454 1.0429 1.0403 1.0377 1.0351 1.0325 1.03 1.0274 19 1.0248 1.0223 1.0198 1.0174 1.0149 1.0124 1.0099 1.0074 1.005 1.0025 20 1 0.9976 0.9952 0.9928 0.9904 0.9881 0.9857 0.9833 0.9809 0.9785 21 0.9761 0.9733 0.9715 0.9692 0.9669 0.9646 0.9623 0.96 0.9577 0.9554 22 0.9531 0.9509 0.9487 0.9465 0.9443 0.9421 0.9399 0.9377 0.9355 0.9333 23 0.9311 0.929 0.9268 0.9247 0.9225 0.9204 0.9183 0.9161 0.914 0.9118 24 0.9097 0.9077 0.9056 0.9036 0.9015 0.8995 0.8975 0.8954 0.8934 0.9813 25 0.8893 0.8873 0.8853 0.8833 0.8813 0.8794 0.8774 0.8754 0.8734 0.8714 26 0.8694 0.8675 0.8656 0.8636 0.8617 0.8598 0.8579 0.856 0.854 0.8521 27 0.8502 0.8484 0.8465 0.8447 0.8428 0.841 0.8392 0.8373 0.8355 0.8336 28 0.8318 0.83 0.8282 0.8264 0.8246 0.8229 0.8211 0.8193 0.8175 0.8157 29 0.8139 0.8122 0.8105 0.8087 0.807 0.8053 0.8036 0.8019 0.8001 0.7984 30 0.7967 0.795 0.7934 0.7917 0.7901 0.7884 0.7867 0.7851 0.7834 0.7818 31 0.7801 0.7785 0.7769 0.7753 0.7737 0.7721 0.7705 0.7689 0.7673 0.7657 32 0.7641 0.7626 0.761 0.7595 0.7579 0.7564 0.7548 0.7533 0.7517 0.7502 33 0.7486 0.7471 0.7456 0.744 0.7425 0.741 0.7395 0.738 0.7364 0.7349 34 0.7334 0.732 0.7305 0.7291 0.7276 0.7262 0.7247 0.7233 0.7218 0.7204 35 0.7189 0.7175 0.7161 0.7147 0.7133 0.712 0.7106 0.7092 0.7078 0.7064 LÁMINA 10.1 Identificacion de Lab. (2 ) 1 cm 10.185 cm 10.422 cm 2 81.473 cm3 W = 1215 gr. W = 1545 gr. 849.110 gr. Ws = 1113.75 gr. Ws = 1113.75 gr. 4201 gr. Ww = 101.25 gr. Ww = 431.25 gr. 2.66 Vs = 418.703 cm3 Vs = 418.703 cm3 0.7564 Vw= 101.25 cm3 Vw= 431.25 cm3 1 Vv = 430.407 cm3 Vv = 430.407 cm3 32.5 e = 1.028 e = 1.028 S (%) = 23.52 % S (%) = 100.20 % Wh + tara = 110 gr Υ = 1431 kg/m3 Υ = 1820 kg/m3 Ws + tara = 103 gr Υd = 1312 kg/m3 Υd = 1312 kg/m3 W tara = 26 gr ω (% ) = 9.091 ω ( %) = 9.091 % ω ( %) = 38.721 % ( 7 ) (8 ) ( 9 ) ( 10 ) ( 11 ) ( 12 ) ( 13 ) ( 14 ) (15 ) ( 16 ) 07/10/2014 15:00 32.5 120 41 3.93 327.5 327.5 8.51E-03 6.44E-03 07/10/2014 15:05 32.5 60 41 3.93 165 165 8.58E-03 6.49E-03 07/10/2014 15:12 32.5 120 41 3.93 305 305 7.93E-03 6.00E-03 07/10/2014 15:20 32.5 90 41 3.93 245 245 8.49E-03 6.42E-03 07/10/2014 15:26 32.5 120 40.5 3.89 300 300 7.90E-03 5.97E-03 07/10/2014 15:30 32.5 120 40.7 3.91 296 296 7.75E-03 5.86E-03 k 20 = 6.20E-03 cm/seg. clave del grupo: No. De Equipo 3 Fecha; FÓRMULAS Nombre del alumno : Manuel Alejandro Canto Lopez Lectura Probeta cm Vol. Q cm3 PERMEABILIDAD MEDIA (16) 7 de Enero de 2014 Firma y sello : 4C Kt cm/seg K20 cm/seg HoraFecha Tiempo t seg Carga h cm Gradiente Hidraulico h/LT ° C ω = (Ww/Ws) *100 WPermeametro +Muestra Humeda= 5746 gr. TESTIGO DE HUMEDAD ( 6 ) Densidad de solidos Gs= m T= m 20 = T °C = Area de la muestra A= Volumen de la muestra V=AL= W Permeametro (Tara) = INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TUERRA PERMEABILIDAD DE CARGA CONSTANTE LÁMINA 10 WPermeametro +Muestra Humeda= 5416 DATOS DEL PERMEAMETRO Y DEL SUELO( 3 ) Diametro de la muestra d= Longitud de la muestra L= Nº del cilindro: ANTES DE LA PRUEBA ( 4 ) DESPUES DE LA PRUEBA (5) gr. Procedencia ( 1) Santa Gertrudis Copo M-3 PRACTICA No. 8. Permeabilidad de carga variable. Competencias que específicas y genéricas de la práctica Permeabilidad de carga variable. Competencia especifica de la Práctica. Evaluar el coeficiente de permeabilidad K de un suelo fino utilizando el permeámetro de carga variable. Objetivo Específico: Determinar el coeficiente de permeabilidad K de una muestra de suelo fino utilizando el permeámetro de carga variable. Material y equipo necesario para la Permeabilidad de carga variable Figura 4.28. Equipo utilizado en la Permeabilidad de carga variable. Permeámetro de carga variable Termómetro Espátula Placas de vidrio Charolas circulares de 20 cm de diámetro. Probetas de 1000, 500, 200 y 100 ml Cronometro Pisón metálico de 4 cm de diámetro y 300 gr de peso Balanza de 500 gr de capacidad Papel filtro Piedras porosas Calibrador vernier Flanera de aluminio Flexómetro Horno de secado con 100 ° C de temperatura Procedimiento de la Práctica. Permeabilidad de Carga variable. Al realizar la prueba de permeabilidad debemos procurar que la muestra de suelo esté completamente inalterada, no solamente en arcillas, sino también en los suelos arenosos o limosos poco o nada plásticos. Sin embargo podemos trabajar con suelos alterados y construir las probetas utilizando métodos de compactación que reproduzcan el peso específico requerido. En este manual realizaremos la práctica con una muestra alterada. Paso 1. Si se trata de muestra inalterada, el suelo se labra y se introduce en el permeámetro, pero si es alterada se puede compactar con un pisón, con lo que se pueden reproducir los pesos volumétricos obtenidos en el campo. Como la muestra es alterada, prepararemos una muestra representativa del material a utilizar para la probeta, de aproximadamente dos veces la requerida. Esta se humedece cuidando que la humedad sea uniforme. Figura 4.29- Preparación de la muestra. Paso 2. Se miden el diámetro interior del anillo del permeámetro y su espesor para determinar la longitud de la muestra, posteriormente se pesa y se registran los datos en la lámina 11. Figura 4.30- Preparación de la muestra. Paso 3. Se coloca el anillo del permeámetro sobre la placa de vidrio y seguidamente se procede a colocar la muestra preparada en capas delgadas uniformes (3 capas de 0.9 cm de altura aproximadamente). Figura 4.31-Llenado del anillo del permeámetro con la muestra preparada. Paso 4. Se compacta cada una de estas capas con el pisón con un numero de golpes para reproducir el peso específico requerido (15 o más golpes). Figura 4.32-Compactación de las capas que conforman la muestra utilizando un pisón. Paso 5.Una vez lleno el anillo del permeámetro con la muestra; tomamos una muestra testigo de la charola para determinar el contenido de humedad en la muestra y así utilizar el mismo contenido de humedad en los posteriores ensayos estos datos se anotan en la lámina 11. Figura 4.33. Pesado de la muestra testigo para la determinación del contenido de humedad. Paso 6. Se enrasa la muestra con una espátula, se limpia el anillo y se pesa este conjunto. Se cortan discos de papel filtro del diámetro de las piedras porosas Figura 4.34. Enrasado, limpieza y pesado de la muestra. Paso 7. Se saturan las piedras porosas en una charola con agua. Enseguida se coloca una de las piedras porosas saturadas en la base del permeámetro y sobre esta el papel filtro; colocamos el conjunto de la muestra y el anillo sobre este y volvemos a colocar otro papel filtro y la segunda de las piedras porosas.Figura 4.35. Colocación de la muestra en la base del permeámetro junto con las piedras porosas saturadas y el papel filtro. Paso 8. Inmediatamente después se coloca el dispositivo de abastecimiento y se llena con agua; inclinando el permeámetro y vertiendo el agua con la probeta lentamente a fin de evitar formar burbujas de aire en el dispositivo, una vez realizado esto se verifica que no haya fugas. Figura 4.36. Colocación de la bureta en la base del permeámetro Paso 9. Se coloca el permeámetro en el lugar donde permanecerá a lo largo de la prueba debido a que no deberá ser movido. Figura 4.37-Colocación del permeámetro en el lugar donde permanecerá a lo largo de la prueba. Paso 10. Una vez que el agua haya atravesado la muestra, procedemos a iniciar con el ensayo. Agregamos agua al dispositivo de abastecimiento hasta una altura conocida (esta será h1), al mismo tiempo que se pone en marcha el cronometro; se anota la fecha y se toma la temperatura del agua (T1) en la Lamina 11. Transcurrido un tiempo se mide la altura a la cual descendió el agua (esta será h2), se toma el tiempo que tarda en pasar el agua de la altura h1 a la altura h2; se anota la fecha y se toma la temperatura del agua (T2). Estas determinaciones se repiten tantas veces como sea necesario para obtener un valor más o menos constante de la permeabilidad. Una vez terminada la prueba, se saca el material del permeámetro y se coloca en una cápsula tarada y numerada, se pesa y se anota en peso muestra húmeda + tara, y se introduce al horno para su secado. Transcurrido un periodo de 18 a 24 horas en el horno se saca, se deja enfriar y se pesa la muestra anotándolo en la lámina 11 en el espacio de muestra seca + tara. Figura 4.38. Toma de las lecturas h1 y h2. Reporte del alumno (resultados) de la Práctica. Permeabilidad de carga variable. Para determinar el valor del coeficiente de permeabilidad del suelo realizamos los cálculos utilizando la lámina 11. 1. Procedencia. En esta columna se coloca el lugar de procedencia de la muestra de suelo. 2. Identificación de laboratorio. Se anota la identificación del laboratorio asignada a la muestra. 3. Datos del permeámetro y de la muestra: No. del anillo del permeámetro: Se anota el número del permeámetro asignado por el laboratorio. Diámetro de la muestra (D). En esta celda se coloca el diámetro promedio del permeámetro medido con el vernier en cm. Longitud de la muestra (L). Longitud promedio del molde del permeámetro medido con el vernier en cm. Área de la muestra (A). Calculo del área de permeámetro aplicando alguna de las siguientes fórmulas. Volumen de la muestra V. Cálculo del volumen del permeámetro es igual al volumen de la muestra de suelo, este permanece igual durante toda la prueba. W Permeámetro (Tara). En este espacio vamos a anotar el peso del anillo del permeámetro vacío obtenido en la báscula en gr. Densidad de solidos (Gs). En esta celda vamos a colocar el valor del peso específico relativo del suelo obtenido al realizar la práctica No. 3 de este manual. W Permeámetro (Tara)+ Muestra seca = Anotamos el peso del anillo de permeabilidad con los sólidos, después de ser retirado del horno de secado. Área de la bureta (a). Se anota el área que corresponde a la bureta o piezómetro utilizado en la prueba. 𝛍t = Viscosidad promedio del agua filtrada a la temperatura de la prueba obtenida en la lámina 10.1 en °C. 𝛍20 = Viscosidad del agua a 20 grados, obtenido en la lámina 10.1. 4. Datos antes de la prueba: Permeámetro +Muestra Húmeda. En este espacio vamos a anotar el peso del permeámetro con la muestra húmeda antes de la prueba (paso 6) en gr. W = Peso del suelo o muestra contenido dentro del permeámetro se obtiene al restar al peso del permeámetro + muestra húmeda el peso del permeámetro vacío. Ws. Peso de los sólidos en gr. que contiene la muestra utilizada en la prueba de permeabilidad de carga variable. Se obtiene al restar al peso del permeámetro con los sólidos el peso del permeámetro o anillo vacío. El peso de los sólidos es el mismo antes y después de la prueba. Ww. Peso del agua de la muestra de suelo antes de la prueba, se obtiene al restarle al peso de la muestra el peso de los sólidos. Vs Volumen de los sólidos de la muestra de suelo contenida en el permeámetro de carga constante. Se obtiene con la fórmula de Gs. Vw. Volumen del agua o de la fase liquida de la muestra de suelo contenida en el permeámetro antes de la prueba. Se obtiene al dividir el peso del agua entre el peso específico relativo del agua que es igual a 1 gr / cm3. Vv. Volumen de vacíos de la muestra antes de la prueba. Se obtiene al restarle al volumen total el de los sólidos. e. Relación de vacíos al inicio de la prueba, se calcula dividiendo el volumen de vacíos entre el volumen de sólidos de la muestra esta no varía durante la prueba, ya que los vacíos se llenan de agua pero no aumentan ni disminuyen. Siendo: Vv = Volumen de vacíos en cm3 Vs = Volumen de sólidos en cm3 Ws = Peso de sólidos en gr. V = Volumen total o volumen del permeámetro en cm3 Gs = Densidad de sólidos. S (%). Grado de saturación del agua antes de la prueba, este valor lo calculamos, dividiendo el volumen del agua entre el volumen de vacíos y lo expresamos en porcentaje. Υ. Peso específico de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante al inicio de la prueba. Se obtiene al dividir el peso W entre el volumen V de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. Υd. Peso específico seco de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante al inicio de la prueba. Se obtiene al dividir el peso Ws entre el volumen V de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. Como el peso de los sólidos no cambia durante la prueba este peso permanece igual después de la prueba ω (%). Contenido de humedad inicial de la muestra de suelo colocada en el permeámetro antes de la prueba , se calcula con la siguiente expresión 5. Datos después de la prueba: W Permeámetro +Muestra Húmeda. En este espacio vamos a anotar el peso del permeámetro con la muestra húmeda después de haber concluido la prueba en gr. W = Peso del suelo o muestra contenido dentro del permeámetro después de haber realizado la prueba, se obtiene al restar al peso del permeámetro + muestra húmeda el peso del permeámetro vacío se expresa en gr. Aplicamos la fórmula 4.35 Ws. Peso de los sólidos en gr. que contiene la muestra utilizada en la prueba de permeabilidad de carga variable. Se obtiene al restar al peso del permeámetro con los sólidos el peso del permeámetro o anillo vacío. El peso de los sólidos es el mismo antes y después de la prueba. Para obtenerlo aplicamos la ecuación 4.36. Ww. Peso del agua de la muestra de suelo después de la prueba, se obtiene al restarle al peso del suelo después de la prueba el de los sólidos. Se aplica la fórmula 4.37. Vs Volumen de los sólidos de la muestra de suelo contenida en el permeámetro de carga constante. Se obtiene con la fórmula de Gs. Es un valor que permanece constante durante la prueba y se obtiene con la expresión 4.38. Vw. Volumendel agua o de la fase liquida de la muestra de suelo contenida en el permeámetro después de la prueba. Se obtiene al dividir el peso del agua después de la prueba entre el peso específico relativo del agua que es igual a 1 gr / cm3. Podemos utilizar la expresión 4.39 para calcularlo. Vv. Volumen de vacíos de la muestra después de la prueba. Se obtiene al restarle al volumen total el de los sólidos. Se utiliza la fórmula 4.40, este volumen permanece constante durante la prueba. e. Relación de vacíos al inicio de la prueba, se calcula dividiendo el volumen de vacíos entre el volumen de sólidos de la muestra esta no varía durante la prueba, ya que los vacíos se llenan de agua pero no aumentan ni disminuyen. Utilizamos para su calcula la fórmula 4.41. S (%). Grado de saturación del agua después de la prueba, este valor lo calculamos, dividiendo el volumen del agua después de la prueba entre el volumen de vacíos y lo expresamos en porcentaje. Para calcularlo utilizamos la expresión 4.42. Υ. Peso específico de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante después de la prueba. Se obtiene al dividir el peso W obtenido al final de la prueba entre el volumen V inicial de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. La fórmula 4.43 es la adecuada para su cálculo. Υd. Peso específico seco de la muestra de suelo utilizada en la prueba de permeabilidad de carga constante después de la prueba. Se obtiene al dividir el peso Ws entre el volumen V de la muestra. Las unidades de medida son kg /m3. Como el peso de los sólidos no cambia durante la prueba este peso permanece igual después de la prueba. Aplicando la expresión 4.44 podemos calcularlo. ω (%). Contenido de humedad de la muestra de suelo después de la prueba , se calcula con la siguiente expresión: 6. Testigo de Humedad: Wh + tara. En esta celda vamos a anotar el peso de la muestra húmeda + tara en gr , obtenido al realizar la prueba de permeabilidad de carga constante. Ws + tara. Peso seco de la muestra testigo + tara en gr, después de haber permanecido un periodo de 18 a 24 horas en el horno de secado a una temperatura constante de 100 °C sacamos la muestra del horno, la dejamos enfriar y se pesa anotando el peso en esta celda. W tara = Peso de la tara o recipiente vacía en gr, utilizado para el testigo de humedad. ω. Contenido de Humedad de la muestra testigo calculada con la fórmula 4.45. 7. Fecha. Anotamos la fecha en que se realiza la medición de la permeabilidad a la muestra. 8. h1. En esta columna se anota el valor de la carga de agua inicial aplicada al suelo en cm. 9. h2. En esta columna se anota el valor de la carga de final en cm que se lee en la bureta en el intervalo de tiempo aplicado. 10. T1. En esta la columna, colocamos la temperatura inicial del agua medida con el termómetro en grados centígrados. 11. T2. En esta celda vamos a anotar la temperatura del agua al final de la prueba en grados centígrados, para el intervalo de tiempo medido. 12. t1. En esta columna se anota la hora en que se inicia la prueba que corresponde al tiempo cero de la medición. Esta lectura se expresa en horas/minutos. 13. t2. En esta columna se coloca la hora final de la prueba que corresponde al tiempo final de la medición, se expresa en horas/minutos. 14.∆t. Intervalo de tiempo en segundos durante el cual se aplican las cargas de h1 a h2,, se obtiene al multiplicar la diferencia de tiempo en minutos por 60. 15. h1/h2. División entre las cargas inicial y final aplicadas al suelo en el intervalo de tiempo aplicado al suelo. 16. log h1/h2. Valor del logaritmo en base 10 de la expresión h1/h2 17. Kt. Coeficiente de permeabilidad del suelo a la temperatura de las mediciones. Este se expresa en cm/seg y para calcularlo se aplica la expresión siguiente: ( ) Siendo: a= área del tubo vertical de carga, bureta o piezómetro. En cm2 A= área de la muestra en cm2 L= longitud de la muestra en cm h1= carga hidráulica al principio de la prueba en cm. h2= carga hidráulica al final de la prueba en cm. 18. K20. Coeficiente de permeabilidad a 20 °C de temperatura, se reduce el valor del coeficiente de permeabilidad a la temperatura de 20ºC, mediante la expresión: 19. Permeabilidad media. Es el promedio de los valores de K a 20°C. obtenidos para cada uno de las mediciones realizadas. En la parte inferior de la lámina 11, se piden datos de identificación del estudiante como son: la clave del grupo, el número de equipo en que trabajo, su nombre completo, y la fecha en que se realizó la práctica: así como el sello y la firma del encargado de dirigir la práctica. cm cm cm2 gr. gr. cm3 W = 82.1 gr. W = 94.5 gr. gr. Ws = 68.9 gr. Ws = 68.9 gr. gr. Ww = 13.2 gr. Ww = 25.6 gr. Vs = 26.50 cm3 Vs = 26.50 cm3 Vw= 13.2 cm3 Vw= 25.6 cm3 area de la bureta a = cm2 Vv = 25.729 cm3 Vv = 25.729 cm3 e = 0.971 e = 0.971 m 20 = S (%) = 51.30 % S (%) = 99.50 % Υ = 1.572 kg/m3 Υ = 1.809 kg/m3 Wh + tara = 62.1 gr Υd = 1.319 kg/m3 Υd = 1.319 kg/m3 Ws + tara = 56.4 gr ω (% ) = ω ( %) = 19.158 % ω ( %) = 37.16 % W tara = 26.9 gr Fecha h1 (cm) h2 (cm) T1 (°C) T2 (°C) t1 (h/min) t2 (h/min) t)seg) h1/h2 log h1/h2 kt (cm/seg) k20 (cm/seg) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) 12:.28 13:16 00:00 48 13:16 13:56 00:00 40 13:56 14:40 00:00 44 14:40 15:20 00:00 40 k 20 = 8.29E-05 cm/seg. No. De Equipo 3 Fecha; M-32 Volumen de la muestra V=AL= W Permeametro (Tara) = Densidad de solidos Gs= Nº del anillo del permeametro: Procedencia ( 1) Santa Gertrudis Copo 2.6 5 2.66 FÓRMULAS PERMEABILIDAD MEDIA (19) Nombre del alumno : Manuel Alejandro Canto Lopez 13 de Enero de 2014 Firma y sello : 13/01/2014 35 32 28 13/01/2014 32 30.3 28 13/01/2014 30.3 28.5 28 13/01/2014 28.5 26.7 28 19.322 ω = (Ww/Ws) *100 DATOS DEL PERMEAMETRO Y DEL SUELO ( 3 ) m T= Diametro de la muestra d= Longitud de la muestra L= Area de la muestra A= 1 52.229 41.2 28.27 0.8318 TESTIGO DE HUMEDAD ( 6 ) 1 110.1 ANTES DE LA PRUEBA ( 4 ) 123.3 WPermeametro +Muestra Humeda= WPermeametro +Muestra Humeda= 135.7 19.635 DESPUES DE LA PRUEBA (5) INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TUERRA PERMEABILIDAD DE CARGA VARIABLE LÁMINA 11 Identificacion de Lab. (2 ) 28 1.094 1.056 W Permeametro (Tara)+ Muestra seca = 28 28 2880 2400 2640 28 1.063 0.039 0.024 0.027 1.19E-04 9.94E-05 7.23E-058.70E-05 8.86E-05 7.37E-05 1.04E-04 8.61E-051.0672400 0.028 clave del grupo: 4C Kt log (h1/h2)
Compartir