cabeza constante y cabeza variable
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Unidad Académica de Hidráulica
Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá
Informe de laboratorio Permeabilidad
(Cabeza constante y cabeza variable)
[1]Willian Florez Angel
[2]Santiago Rivera
[3]Luis Gabriel Argothy
[4] Carolina Ustariz, Cód
RESUMEN
Los suelos están formados por partículas minerales sólidas que dejan vacíos entre ellas.
Estos vacíos están interconectados y permiten el flujo de agua a través de ellos. Esto
convierte a los suelos en materiales permeables al agua. El grado de permeabilidad es
determinado aplicando a una muestra saturada de suelo una diferencia de presión
hidráulica. El coeficiente de permeabilidad es expresado en términos de velocidad. Este
fenómeno es gobernado por las mismas leyes físicas en todos los tipos de suelos y la
diferencia en el coeficiente de permeabilidad en tipos de suelos extremos es solo una
cuestión de magnitud.
Permeabilidad de un suelo es la capacidad del mismo para permitir el flujo de un fluido,
líquido o gas, a través suyo. En el campo de la Geotecnia se estudia el flujo de agua. En
este ensayo describiremos el procedimiento y los resultados obtenidos durante el ensayo
de permeabilidad por el método de cabeza constante y el de cabeza variable.
PALABRAS CLAVE
PERMEABILIDAD – DENSIDAD – HUMEDAD – SUELO – CABEZA CONSTANTE –
CABEZA VARIABLE – CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA.
ABSTRACT
****************************
The grounds are formed by solid mineral particles that leave emptinesses among them.
These emptinesses are interconnected and allow the water flow through them. This turns
to grounds in permeable materials to the water. The permeability degree is determined
applying to a saturated ground sample a hydraulic pressure differential. The permeability
coefficient is expressed in terms of speed. This phenomenon is governed by the same
physical laws in all the types of grounds and the difference in the coefficient of permeability
in types of extreme grounds is only a magnitude question.
Permeability of a ground is the capacity of allow the flow of a fluid, liquid or gas, to traverse
it. In the case of the Geotecnia studies flow water. In this test we will describe the
procedure and the results obtained during the test of permeability by the method of
constant head and the one of variable head.
INTRODUCCION
Este método de ensayo proporciona procedimientos para determinar la conductividad
hidráulica (permeabilidad al agua) de los suelos en términos de permitividad bajo
condiciones de ensayo estandarizadas.
La permeabilidad en los suelos se ve afectada por diversos factores inherentes al suelo
como a características del agua circulante, los factores principales son: la relación de
vacios del suelo, la temperatura del agua, la estructura y estratificación del suelo, la
existencia de fisuras o agujeros en el suelo. En este caso podemos considerar entonces
la influencia que tienen las propiedades del agua se consideran despreciables para que
el coeficiente de permeabilidad (k) pueda considerarse constante para un suelo
determinado.
OBJETIVOS
▪ Determinar el coeficiente de permeabilidad mediante los métodos de cabeza constante y
variable para el flujo laminar de agua a través de suelos granulares, realizado según el
procedimiento de la norma E-130 de INVIAS.
1. Demostrar si la muestra tiene un índice de permeabilidad que cumple con los
estándares permitidos según la literatura.
METODO DE CABEZA VARIABLE
ASPECTOS GENERALES
Este ensayo es un método directo para estimar la permeabilidad de un suelo, para ello se
deben tener presentes las siguientes consideraciones:
Entre el material sea mas fino el nivel de permeabilidad va a ser mínimo.
▪ Especímenes secos se preparan según lo indica el ensayo de permeabilidad de carga
constante.
▪ Deberán determinarse las propiedades índices del suelo.
▪ Se deberá garantizar que la muestra se encuentre con una saturación del 100%.
MATERIALES Y METODOLOGÍA
MATERIALES:
▪ Permeámetro, para medir la permeabilidad se conoce como permeámetro activo.
▪ Piedras porosas, solamente permiten el paso del agua además de permitir una
distribución uniforme del liquido al interior de la muestra.
▪ Probeta, para recolectar el agua que es expulsada de la cámara en donde se encuentra
contenida la muestra.
▪ Contenedor proctor estándar, para contener la muestra a trabajar.
▪ Agua destilada y des aireada, con la cual vamos a saturar el material y a tomas las
alturas de cabeza al interior del conducto de alimentación.
▪ Termómetro, para tomar la temperatura del agua expulsada de la muestra por efectos de
permeabilidad.
▪ Cronómetro, para tomar el tiempo de paso de la cabeza de agua por las mascar de
altura respectivas.
▪ Balanza, para conocer las características de la muestra
▪ Artículos misceláneos
METODOLOGIA
▪ Se trabajó con una muestra de peso seco promedio de 500g, para la cual después de
ser lavada por el T200 se obtuvo un peso seco de 467g.
▪ Se determinan las propiedades índices del suelo en una sesión previa a la del ensayo y
los resultados obtenidos serán necesarios para nuestras conclusiones.
▪ Para determinar la compactación de la muestra se siguió el ensayo normal de
compactación descrito en la norma INV-141; para la cual tuvimos en cuenta los siguientes
parámetros:
Condiciones de compactación:
Diámetro de la muestra (igual a la del molde) = 10,16 cm
Altura de la muestra = 11,65 cm
Peso del molde + muestra compactada = 3834 gr
Peso del molde = 2010 gr
En el molde utilizamos 3 capas compactadas con 25 golpes cada una.
Peso del martillo = 5,5 lb
Altura de caída = 12 pulg
▪ Para este ensayo se estableció una altura del tubo capilar de 2m. Una vez preparada la
muestra y el equipo se midió el tiempo de descenso capilar para alturas de 189.7, 180,
170.3, 145, 134.1 y 90 cm.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
▪ Descripción de la muestra:
Es una grava arenosa con contenido de arcilla habana amarillenta contenida dentro de un
molde de proctor estándar hasta copar la totalidad de su volumen.
El suelo tiene un Gs = 2.6
▪ Humedad natural:
P1: Peso de la muestra húmeda más recipiente = 292.2g
P2: Peso de la muestra seca más recipiente = 268.5g
P3: Peso del recipiente = 36.3g
[pic]
[pic]
▪ Permeabilidad
En este tipo de ensayo se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo,
por diferencia de niveles en un tubo alimentador. Este ensayo puede ser utilizado en
suelos finos y gruesos variando el diámetro del tubo alimentador, pero lo más común es
utilizarlo con los suelos finos poco permeables.
En nuestro caso usaremos éste método para calcular la permeabilidad del suelo
anteriormente descrito y compararlo con valores encontrados en la literatura, por lo tanto
debemos tener en cuenta:
[pic] (1)
Donde:
a: Área transversal de tubo capilar
A: Área transversal de la muestra
L: Longitud de la muestra
h0: Altura del tubo capilar ht: Altura de lectura
t: Tiempo
K: Permeabilidad
A continuación se encuentran los valores obtenidos en el laboratorio para éste ensayo.
|A (cm²) |88.247 |
|L (cm) |11,56 |
|a (cm²) |0,8 |
Tabla 1. Geometría de la muestra
Para determinar los valores de permeabilidad aplicamos la ecuación (1). Los datos
obtenidos son:
|V(ml) =83 |Altura (cm) |Tiempo (s) |Permeabilidad |
| |200 |0 | |
| |189,7 |29 |0,000191068 |
| |180 |61 |0,000181007 |
| |170,3 |93 |0,000181147 |
| |145 |184 |0,000183157 |
| |134,1 |228 |0,000183731 |
| |90 |451 |0,000185546 |
| | |K prom |0,000184276 |
Tabla 2. Datos tomados en laboratorio con resultado de permeabilidad.
Estos coeficientes fueron obtenidos bajo una temperatura de 17 ° C y altura del tanque es
de H(m) = 2 . Los valores de Q obtenidos para cada uno de los tiempos con un V= 83 ml
son:
Caudal: (m3/s)
|2,86207E-06 |
|1,36066E-06 |
|8,92473E-07 |
|4,51087E-07 |
|3,64035E-07 |
|1,84035E-07 |
Tabla 3. Caudales obtenidos para V = 83 ml
En la siguiente gráfica se encuentra la relación obtenida entre la permeabilidad y el
tiempo.
[pic]Gráfica 1. Relación Permeabilidad Vs Tiempo
En la gráfica 1. se observa que a medida que la altura del tanque va disminuyendo con el
tiempo, la permeabilidad del suelo es mayor, excepto por el primer valor. Esto indica que
el suelo a medida que recorre el molde el suelo es mas denso.
METODO DE CABEZA CONSTANTE
ASPECTOS GENERALES
El método de carga constante. Ofrece el método más simple para determinar el
coeficiente de permeabilidad de ese suelo. Una muestra de suelo de área transversal A y
longitud L conocidas, confinadas en un tubo, se somete a una carga hidráulica h. El agua
fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad (en cm3) que pasa en un tiempo t. El
gradiente hidráulico permanece constante a lo largo de todo el periodo del ensayo. Los
niveles de agua superior e inferior se mantienen constante por desborde, con lo cual h
permanece constante, pues depende solamente de esa diferencia de niveles.
METODOLOGÍA
Se ensaya un tipo de material en 3 probetas distintas, las cuales están cubiertas en la
parte superior en inferior por elementos porosos. Se llevan las 3 muestras a un grado de
saturación del 100% y se les aplica un flujo constante de agua, a trabes de un tubo que
tiene un tanque abastecedor a 2 metros de altura, por uno de los elementos poros para
medir la permeabilidad de cada muestra.
Se toma el la cantidad de agua que permite pasar la muestra en un tiempo de 60
segundos para poder así medir el caudal que se genera y asi poder aplicar la formula de
permeabilidad.
[pic] (2)
Donde:
Q: Caudal
L: Longitud de la muestra
H: Altura del tanque
A: Área transversal de la muestra
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
▪ Descripción de la muestra:
Es una grava arenosa con contenido de arcilla habana amarillenta contenida dentro de un
molde de proctor estándar hasta copar la totalidad de su volumen.
▪ Datos de las Probetas:
* Todas las probetas tiene un peso de material correspondiente a 1800 gr.
* Las probetas 1, 2 y 3 tienen alturas de muestra en centímetros de 24.5, 23.5 y 23
respectivamente.
* El diámetro de cada probeta es de 7,4 cm, por lo que el área de las probetas es de
43,01 cm².
* La altura h del tanque a las probetas es de 2m o 200 cm.
Los datos obtenidos en el laboratorio se encuentran consignados en la siguiente tabla:
|Probeta |Piezómetro |Lectura |h (ml) |
|Probeta 1 |1 |10 |160 |
| |2 |118 | |
| |3 |126 | |
| |4 |165 | |
| |5 |189 | |
| |6 |197 | |
| |7 |196,7 | |
| |8 |197 | |
|Probeta 2 |9 |66 |100 |
| |10 |128 | |
| |11 |161 | |
| |12 |184 | |
| |13 |194 | |
| |14 |197 | |
| |15 |No Funciona | |
| |16 |No Funciona | |
|Probeta 3 |17 |15 |46 |
| |18 |102 | |
| |19 |128 | |
| |20 |159 | |
| |21 |192 | |
| |22 |199 | |
| |23 |199 | |
| |24 |199 | |
Tabla 4. Datos obtenidos en el laboratorio para cada una de las probetas.
Se hicieron 2 tomas de volúmenes desalojados para cada probeta en 60
segundos, con los cuales se puede calcular la permeabilidad y los resultados
fueron los siguientes:
| |Probeta 1 |Probeta |Probeta 3 |
| | |2 | |
|Toma |Vol de Agua |Vol de Agua (lt)|Vol de Agua |
| |(lt) | |(lt) |
|1 |0,15 |0,08 |0,048 |
|2 |0,16 |0,1 |0,046 |
|Promedio (lt) |0,155 |0,09 |0,047 |
|Caudal (lt/s) |0,002583 |0,0015 |0,000783 |
|Caudal en (cm³/s) |2,583333 |1,5 |0,783333 |
|Permeabilidad |0,007358 |0,0040979 |0,002094 |
|(cm/s) | | | |
Tabla 5. Caudales obtenidos en el laboratorio para cada una de las probetas
El caudal es directamente proporcional al Volumen de agua que pasa por la
probeta. Para el caso la probeta 1 desaloja mas caudal por lo tanto es mas
permeable que las otras dos probetas.
La carga de agua esta definida por:
hp= Carga de presión (m)
he= Carga por altura (m)
ht= Carga total (m)
La carga Total en un suelo se define como:
Ht= Hp+He
Para cada uno de las probetas se tiene la altura del tanque h(ml), por lo tanto
sumando las presiones para cada uno de lo piezómetros
ubicados de abajo hacia arriba en el molde es posible determinar la carga total para cada una de las muestras.
|Probeta 1 |he = 160 ||Probeta 2 |he = 100 ||Probeta 3 |he = 46 |
Tabla 6. Carga por altura o geométrica para cada probeta
|Piezómetro |hp (m) || |PROBETAS || |1 |2 |3 ||1 |10 |66 |15 ||2 |118 |128 |102 ||3 |126 |161 |128 ||4 |165 |184 |159 ||5 |189 |194 |192 ||6 |197 |197 |199 ||7 |196,7 |No Funciona |199 ||8 |197 |No Funciona |199 || |ht (m) || |PROBETAS || |1 |2 |3 ||1 |160 |51 |61 ||2 |170 |166 |148 ||3 |278 |228 |174 ||4 |286 |261 |205 ||5 |325 |284 |238 ||6 |349 |294 |245 ||7 |357 |No funciona |245 ||8 |356,7 |No funciona |245 |
Tabla 7. Carga por presión y carga total para cada probeta La siguiente gráfica muestra los valores de Ht para cada una de las muestras.
[pic]Grafica 2. Variación de la carga total para las 3 muestras
Analizando la gráfica 2 se observa que a mayor carga geométrica, la carga total también aumenta en éste caso para el piezómetro 1, mientras que He disminuye.
CONCLUSIONES
METODO DE CABEZA VARIABLE
1. La permeabilidad de la muestra de suelo para el método de cabeza variable es de 1.8 x 10-4 cm/s.
2. La permeabilidad del suelo según el Soil Conservation Service de los EEUU es moderadamente lenta al encontrarse en el rango 0.5cm/h < K < 2 cm/h.
3. Basándonos en la tabla anexa podemos afirmar que la propiedad del material ensayado es de mala permeabilidad, por lo tanto podemos afirmar que el material es un material suelto.
[pic]
METODO DE CABEZA VARIABLE
4. La permeabilidad mas alta de las muestras, en centímetros por segundo fue la de la probeta N1 = 0,0074.
5. Las tres probetas se encuentran dentro del rango de 10ˉ² y 10ˉ4 (dato suministrado por el profesor) por lo que se determina que tienen un buen drenaje.
6. El gradiente hidráulico es una función inversa de la permeabilidad. Materiales de alta permeabilidad presentan gradientes hidráulicos muy bajos.
REFERENCIAS
T.W. Lambe y R.V. Whitman - Mecánica de suelos. Mexico, 1997 ISBN 968-18-1894-6http://www.fabianhoyos.com/pdfs/cursos/Permeabilidad.pdfhttp://www.slideshare.net/UCGcertificacionvial/determinacin-del-coeficiente-de-permeabilidad-para-suelos-granulares-1825057-----------------------[1] Estudiante Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Colombia[2] Estudiante Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Colombia[3] Estudiante Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Colombia[4] Estudiante Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Colombia