PERMEABILIDAD

Mecnica de suelo

mecanicade suelos ROBERTO ALEJANDRO GALLEGUILLOS VALLE

Integrantes -MONSERRAT DURAN ARAYA -MIGUEL ZENTENO VIVANCO -LUIS CONTRERAS HIDALGO -MARKO GONZALEZ -RODRIGO BAEZ

1 Mecnica de suelos Permeabilidad

INDICE

Contenido INTRODUCCIN ................................................................................................................................... 2

PERMEABILIDAD .................................................................................................................................. 3

FUNDAMENTOS SOBRE LA PERMEABILIDAD ...................................................................................... 5

VELOCIDAD DE DESCARGA, VELOCIDAD DE FILTRACIN Y VELOCIDAD REAL.................................. 7

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS ................................................... 9

ENSAYOS ............................................................................................................................................ 12

ENSAYOS IN SITU ........................................................................................................................... 15

Ensayo carga variable ............................................................................................................... 15

Ensayo carga constante ............................................................................................................ 16

CONCLUSIN ................................................................................................................................. 17

BIBLIOGRAFA ................................................................................................................................ 18

2 Mecnica de suelos Permeabilidad

INTRODUCCIN

Los suelos y las rocas no son slidos ideales, sino que forman sistemas con 2 3

fases: partculas slidas y gas, partculas slidas y lquidas, o bien, partculas slidas, gas

y lquido. El lquido es normalmente agua y el gas se manifiesta a travs de vapor de agua.

Por lo tanto se habla de medios porosos. A estos medios se los caracteriza a travs de su

porosidad y a su vez esta propiedad condiciona la permeabilidad del medio o del material

en estudio.

Se dice que un material es permeable cuando contiene vacos continuos, estos

vacos existen en todos los suelos, incluyendo las arcillas ms compactas, y en todos los

materiales de construccin no metlicos, incluido el granito sano y la pasta de cemento, por

lo tanto dichos materiales son permeables. La circulacin de agua a travs de la masa de

stos obedece aproximadamente a leyes idnticas, de modo que la diferencia entre una

arena limpia y un granito es, en este concepto, solo una diferencia de magnitud.

La permeabilidad de los suelos, es decir la facultad con la que el agua pasa a travs

de los poros, tiene un efecto decisivo sobre el costo y las dificultades a encontrar en muchas

operaciones constructivas, como los son, por ejemplo, las excavaciones a cielo abierto en

arena bajo agua o la velocidad de consolidacin de un estrato de arcilla bajo el peso de un

terrapln, de all la importancia de su estudio y determinacin, aspectos que se

desarrollarn a continuacin.

3 Mecnica de suelos Permeabilidad

PERMEABILIDAD

Permeabilidad es la propiedad de masa de un sedimento que regula la transmisin

de un flujo a travs de sus poros, independientemente del tipo que sean (a excepcin del

gas). Depende marcadamente del tamao de la partcula (a diferencia de la porosidad), de

la forma y del grado de conexin entre los poros.

A medida que disminuye el tamao de las partculas, los poros son tambin menores

y se requiere mayor fuerza o un tiempo ms prolongado para transmitir un volumen unitario

de fluido.

Tambin influye la viscosidad (que a la vez depende de la temperatura) y del

gradiente de presin en donde se mueve el fluido.

Se seala que un material es permeable cuando contiene vacos continuos, estos vacos existen en todos los suelos, incluyendo las arcillas ms compactas, y en todos los materiales de construccin no metlicos, incluido el granito sano y la pasta de cemento, por lo tanto dichos materiales son permeables. La circulacin de agua a travs de la masa de stos obedece aproximadamente a leyes idnticas, de modo que la diferencia entre una arena limpia y un granito es, en este concepto, solo una diferencia de magnitud. La permeabilidad de los suelos, es decir la facultad con la que el agua pasa a travs de los poros, tiene un efecto decisivo sobre el costo y las dificultades a encontrar en muchas operaciones constructivas, como los son, por ejemplo, las excavaciones a cielo abierto en arena bajo agua o la velocidad de consolidacin de un estrato de arcilla bajo el peso de un terrapln, de all la importancia de su estudio y determinacin. Existen tres tipos de permeabilidad los cuales son:

Permeabilidad absoluta: Es aquella permeabilidad que se mide cuando un fluido satura 100 % el espacio poroso. Normalmente, el fluido de prueba es aire o agua

Permeabilidad efectiva: Es la medida de la permeabilidad a un fluido que se encuentra en presencia de otro u otros fluidos que saturan el medio poroso. La permeabilidad efectiva es funcin de la saturacin de fluidos, siempre las permeabilidades relativas son menores que la permeabilidad absoluta.

Permeabilidad relativa: Es la relacin existente entre la permeabilidad efectiva y la permeabilidad absoluta. Esta medida es muy importante en ingeniera de yacimientos, ya que da una medida de la forma como un fluido se desplaza en el medio poroso. La sumatoria de las permeabilidades relativas es menor de 1.0.

4 Mecnica de suelos Permeabilidad

FORMAS DE CAPTACIN DEL AGUA EN LA NATURALEZA El agua presente en los suelos puede provenir de distintas fuentes: Agua de sedimentacin: Es aquella incluida en suelos sedimentarios al depositarse sus

partculas.

Agua de infiltracin: Es la proveniente de lluvias, corriente de agua o hielos, lagos y mares.

TIPOS DE FLUJOS

Existe dos formas por las cuales se puede desplazar el fluido dentro del sedimento, mediante un flujo laminar o un flujo turbulento.

Flujo laminar o corriente laminar: Se denomina al movimiento de un fluido cuando ste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en lminas paralelas sin entremezclarse y cada partcula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada lnea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular. sta corriente es tpica de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras fluidos de viscosidad baja.

Flujo turbulento o corriente turbulenta: Es el movimiento de un fluido que se da en forma catica, en que las partculas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partculas se encuentran formando pequeos remolinos aperidicos,(no coordinados) como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partcula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, ms precisamente catica esto se genera cuando la velocidad del fluido alta o de grandes caudales.

NIVEL FRETICO

Se define como nivel fretico, el lmite superior de la zona de saturacin de un suelo, siendo un elemento muy significativo del sistema de aguas subterrneas. La profundidad del nivel fretico es muy variable y puede oscilar entre cero, cuando se sita en la superficie, y centenares de metros en algunos lugares. Una caracterstica importante del nivel fretico es que su configuracin vara segn las estaciones y de un ao a otro, porque la adicin de agua al sistema de aguas subterrneas est estrechamente relacionada con la cantidad, la distribucin y la frecuencia de las precipitaciones. Excepto cuando el nivel fretico se sita en la superficie, no podemos observarlo directamente. Sin embargo, su elevacin puede cartografiarse y estudiarse en detalle mediante la realizacin de pozos, ya que el nivel del agua en los pozos coincide con el nivel fretico.

5 Mecnica de suelos Permeabilidad

FUNDAMENTOS SOBRE LA PERMEABILIDAD Los conceptos modernos en relacin a la circulacin del agua subterrnea fueron

formulados a partir del trabajo del ingeniero francs Henri Darcy, a mediados del siglo XIX.

Durante este perodo, Darcy investig las caractersticas del flujo de agua a travs de filtros

formados por materiales trreos, lo cual es particularmente apropiado para la aplicacin de

los resultados a la Mecnica de Suelos.

Entre los experimentos realizados por Darcy, hubo uno en el que se demostr que la

velocidad de filtracin, es proporcional a la pendiente del nivel fretico: cuanto ms inclinada

es la pendiente del nivel fretico, ms rpido es el movimiento del agua (ya que, cuanto

ms inclinada es la pendiente, mayor es la diferencia de presin entre dos puntos). La

pendiente del nivel fretico es conocida como gradiente hidrulico, se designa con la letra i

y puede expresarse de la siguiente forma:

=1 2

Siendo h1 la elevacin de un punto sobre el nivel fretico, h2 la elevacin de un segundo

punto, y L la distancia horizontal entre ambos puntos (Figura 1).

Figura1: El gradiente hidrulico se determina midiendo la diferencia de elevacin entre

dos puntos del nivel fretico dividido por la distancia entre ellos. Los pozos se utilizan para

medir la altura piezomtrica.

A partir de esto, el gradiente hidrulico se define como la prdida de energa experimentada

por unidad de longitud recorrida por el agua, es decir representa la prdida o cambio de

potencial hidrulico por unidad de longitud, medida en el sentido del flujo de agua.

Fsicamente el potencial hidrulico o altura piezomtrica, representa en altura la energa

que dispone el agua en un punto determinado del subsuelo, para ascender hasta

encontrarse en equilibrio con la presin atmosfrica.

Siempre que el movimiento del agua en el medio saturado corresponda a un flujo laminar,

este estar regulado por la ley de Darcy. Esta ley expresa que el caudal de agua Q, que

atraviesa un medio poroso saturado es directamente proporcional a la seccin transversal

de dicho flujo A y al gradiente hidrulico i, e inversamente proporcional a la longitud L del

camino recorrido:

6 Mecnica de suelos Permeabilidad

k (cm/seg)

Elevada Superior a 10-1

Media 10-1 a 10-3

Baja 10-3 a 10-5

Muy baja 10-5 10-7

Prcticamente impermeable menor de 10-7

GRADO DE PERMEABILIDAD

=

En esta expresin, la constante de proporcionalidad k, es denominada coeficiente de

permeabilidad del suelo, tiene dimensiones de velocidad y se utiliza para definir en trminos

simples el coeficiente de permeabilidad de un suelo como la velocidad del agua a travs

del mismo, cuando est sujeta a un gradiente hidrulico (Tabla 1). El valor numrico de k

se refleja en propiedades fsicas del suelo y en cierta medida ese valor indica la mayor o

menor facilidad con que el agua fluye a travs del suelo (Tabla 2).

Tabla 1: Coeficiente de permeabilidad k en cm/seg.

Tabla 2: Grados de permeabilidad segn valores de k.

Como se mencion anteriormente, la ley de Darcy es vlida para casi todos los fluidos que

circulan lentamente a travs de pequeos poros en el subsuelo, es decir su validez se limita

al rgimen laminar. El flujo del agua en rgimen turbulento o a travs de grandes cavidades

(como son las cavernas y algunos conductos krsticos) no sigue la ley de Darcy, sino las

ecuaciones hidrodinmicas usuales para los conductos y corrientes superficiales.

Combinando la ley de Darcy, y la ecuacin de continuidad de caudal que establece Q=Av,

se obtiene la denominada velocidad de Darcy:

=

Siendo v la velocidad de filtracin, i el gradiente hidrulico y k el coeficiente de

permeabilidad en unidades de velocidad.

7 Mecnica de suelos Permeabilidad

VELOCIDAD DE DESCARGA, VELOCIDAD DE FILTRACIN Y

VELOCIDAD REAL

La velocidad v que se deduce directamente de la ley de Darcy, se llama velocidad de

descarga o simplemente velocidad. La velocidad v1 que toma en cuenta la existencia de

una fase slida impermeable, se llama velocidad de filtracin.

De acuerdo al esquema del suelo de la figura 2, donde se representa el suelo dividido en

sus dos fases de slidos y vacos, se considera una profundidad unitaria de manera que las

reas transversales quedan definidas mediante:

= =

= =

Figura 2: Diferencia entre la velocidad de descarga y la de filtracin.

En esta situacin, el rea disponible para el paso del agua es Av, en lugar de A, como se

supuso en la ley de Darcy. Si el flujo es establecido, debe tenerse el mismo caudal en el

tubo libre que en el suelo, por lo tanto teniendo en cuenta la condicin de continuidad Q=Av,

puede escribirse:

1 =

De donde:

1 =

Considerando una muestra de suelo de longitud L, se tiene:

=

=

1

=

1 +

Donde: A L = V, volumen total.

Av L = Vv, volumen de vacos.

8 Mecnica de suelos Permeabilidad

n = porosidad del suelo.

e = ndice de vacos.

Por lo tanto:

1 =1 +

Donde: v = velocidad de descarga.

v1 = velocidad de filtracin.

La velocidad de filtracin, entonces, tiene en cuenta la existencia de una fase slida

impermeable. Puede considerarse como la velocidad media de avance del agua en la

direccin del flujo.

Sin embargo, en la obtencin de la velocidad de filtracin se supuso que el agua tena

trayectoria recta al pasar a lo largo del filtro, por lo cual no representa la velocidad con la

que el agua se est moviendo. El agua no recorre la longitud L al atravesar el suelo, sino

una lnea sinuosa o irregular de longitud Lm. entonces si v2 es la velocidad media real, podr

escribirse:

2 = 1

=1 +

9 Mecnica de suelos Permeabilidad

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA PERMEABILIDAD DE LOS

SUELOS

1. La relacin de vacos del suelo

Cuando un suelo es comprimido o vibrado, el volumen ocupado por los elementos solidos

permanece igual no vara, mientras que el volumen de vacos disminuye a travs de este

proceso, esto quiere decir que la permeabilidad igualmente disminuir.

Es por eso que hoy en da se hacen todo tipo de tratamientos al suelo en cuando a

vibraciones, compresiones, para que as el suelo tenga un mejor comportamiento en cuanto

a la permeabilidad del terreno en donde se ejecutar el proyecto, para la compresin o

compactacin del suelo y adems la vibracin se hace necesario el uso de maquinaria

mecnica (Figura 3).

Figura 3: Maquinarias utilizadas para la compactacin del suelo.

Existen expresiones que permiten relacionar el coeficiente de permeabilidad con la relacin

de vacos, pero las expresiones se deben adoptar a hiptesis cuyas conclusiones finales

sean las ms aptas para su conclusin.

Unas de las formulas ocupadas es:

= ()

Donde:

k = permeabilidad.

F(e) = funcin de relacin de vacos.

k= una constante real dependiente de la temperatura del agua.

10 Mecnica de suelos Permeabilidad

Para fines ms prcticos, existen tambin otras frmulas que se ocupan para arenas y

arcillas como se muestra a continuacin:

F(e) = e2 ; es para arenas, y

F(e )= C3 (e-eo)2 ; es para arcilla

El termino C3 es una constante de ajuste para cumplir las condiciones particulares, y e

- e0es la relacin de vacos efectiva que se tiene para el flujo de agua.

2. La temperatura del agua

La temperatura en el suelo es de tomar en consideracin, ya que la variacin climtica de

la temperatura del suelo y estacionarias vara mucho. La temperatura del agua es la razn

de muchos factores importantes directamente del suelo, ya sea en la parte superficial como

las profundidades. por ejemplo de vida,

De acuerdo a un anlisis terico, se puede confirmar que el valor de permeabilidad del suelo

es proporcional a la viscosidad cinemtica del agua. Del modo siguiente:

12

= 12

En donde v es la viscosidad cinemtica del agua de acuerdo a:

=

Siendo: = viscosidad del agua

g = aceleracin de gravedad

w = Peso especfico del agua

Se considera esta relacin que est relacionada igualmente con las arenas y adems una

pequea desviacin para las arcillas.

Cuando se hacen ensayos o pruebas la temperatura que se considera es una temperatura

constante, ocupndose normalmente un valor de 20C.

3. La estructura y la estratificacin del suelo

Pueden observarse variaciones importantes con respecto a la permeabilidad de un mismo

suelo, dependiendo del estado en que ste se encuentre, ya sea inalterado o remoldeado.

Aun cuando la relacin de vacos sea la misma en ambos casos, ha cambiando su

estructura y estratificacin.

11 Mecnica de suelos Permeabilidad

En el suelo remoldeado quedan libres partculas que al fluir el agua, las mueve y

reacomoda, obstruyendo canales. En otras ocasiones estas partculas son arrastradas al

exterior, con lo cual el valor del coeficiente de permeabilidad vara durante la realizacin del

ensayo. Esta condicin inestable en una fraccin de las partculas del suelo, es

frecuentemente resultado de la mezcla de materiales provenientes de estratos de

caractersticas diferentes, siendo 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 la partculas por efecto

de la fuerzas de filtracin.

Como la mayora de los suelos estn estratificados, es preciso determinar el coeficiente de

permeabilidad tanto en direccin paralela como perpendicular a los planos de

estratificacin. En caso de que los estratos sean lo suficientemente grueso, puede

determinarse la permeabilidad para cada estrato ms o menos homogneo y as poder

calcular el coeficiente de permeabilidad medio en cada direccin, para la combinacin de

estratos.

4. La presencia de agujeros, fisuras, etc.

A causa de heladas, ciclos alternados de humedecimiento y secado, efectos de vegetacin,

pequeos organismos, etc., pueden cambiar las caractersticas del suelo, provocando

fisuras, agujeros, discontinuidades, etc., que terminan provocando un cambio de la

permeabilidad de un determinado suelo.

12 Mecnica de suelos Permeabilidad

ENSAYOS

Uno de los estudios geotcnicos importantes a realizar antes de la construccin, es la determinacin de la permeabilidad del suelo.

Para la determinacin del coeficiente de permeabilidad existen diferentes mtodos; los ensayos de laboratorio, los efectuados en el lugar y los mtodos empricos, donde el valor de k es obtenido indirectamente a travs de relaciones empricas con otras propiedades de los suelos.

A continuacin se resumen los distintos mtodos:

EN LABORATORIO Permemetro de carga constante En estos aparatos la cantidad de agua que fluye a travs de una muestra de suelo, de dimensiones conocidas, en un tiempo determinado, puede ser medida. Los niveles de agua a la entrada y salida del permemetro se pueden mantener constantes

por medio de compuertas. La prdida de carga h, depende nicamente de la diferencia

entre los niveles de agua. El dimetro D y el largo L de la muestra pueden ser medidos.

El agua a la salida es recogida en una probeta graduada y la cantidad de descarga Q es

medida.

Cabe destacar que este permemetro es aplicable a suelos relativamente permeables, por

ejemplo limos, arenas y gravas.

A continuacin se muestran dos modelos de permemetros y el clculo del coeficiente de

permeabilidad k.

13 Mecnica de suelos Permeabilidad

Figura 4: Permemetro A Figura 5: Permeametro B

Para el clculo de k se determina primero el caudal circulante una vez que el sistema se

encuentra en rgimen (la cantidad de agua que ingresa es igual a la que sale), midiendo el

tiempo t en el cual se llena un recipiente de volumen V conocido:

Luego de obtener este valor, se procede a calcular K:

En los ensayos de permeabilidad, las fuentes ms importantes de error son la formacin de una pequea capa de material fino en la superficie de la muestra, que acta luego como filtro, y la existencia o formacin de burbujas de aire dentro de la muestra de suelo. Ambos errores reducen la permeabilidad. El error originado por la formacin de un filtro puede ser eliminado midiendo la prdida de carga entre dos puntos situados en el interior de la muestra, en la forma indicada en el permemetro b. Permemetro de carga variable

Este tipo de dispositivo, brinda mayor exactitud para suelos menos permeables, como

arcilla y limo.

En este caso la cantidad de agua escurrida es medida en forma indirecta por medio de la

observacin de la relacin entre la cada del nivel de agua en un tubo recto colocado sobre

la muestra y el tiempo transcurrido. El longitud L, el rea A de la muestra y el rea a del

tubo recto son conocidos. En adicin, las observaciones deben ser hechas en no menos de

2 niveles diferentes de agua en el tubo recto.

K = Coeficiente de permeabilidad V= Volumen del recipiente t = Tiempo en que se llena el recipiente i = Gradiente hidrulico A = rea transversal

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Figura 5: Permemetro

Considrese h1 como la altura del agua medida en un tiempo t1 y h2 como la altura del

agua medida en un tiempo t2; h es la altura del agua intermedia en un tiempo t.

Se obtiene el valor del coeficiente de permeabilidad k, expresado en:

15 Mecnica de suelos Permeabilidad

ENSAYOS IN SITU

En la Tabla 3, se resumen una serie de ensayos de campo para determinar el valor de k in situ, el tipo de suelo al cual son aplicables y la norma que describe el procedimiento a seguir.

Tabla 3: ensayos de campo para la determinacin de k.

Ensayo carga variable Los ensayos realizados en perforaciones constituyen una forma para determinar la permeabilidad in situ. Existen dos clases de ensayos de carga variable:

1. Carga variable decreciente 2. Carga variable creciente

En general cualquiera de los mtodos de carga variable deben ser usados solo cuando la permeabilidad del suelo sea lo suficientemente baja, para permitir una determinacin del nivel de agua certero, por ejemplo limos o arcillas. En el ensayo de carga decreciente el flujo se dirige desde la perforacin hacia el suelo que lo rodea, en el de carga creciente el agua fluye desde los alrededores hacia el pozo.

1. Mtodo de carga variable decreciente En este ensayo, la perforacin se llena con agua, la que luego podr filtrarse hacia el suelo. La tasa de cambio del nivel superficial de agua se observa midiendo la profundidad del nivel de agua debajo del extremo superior de la perforacin a 1, 2 y 5 minutos luego de haber empezado el ensayo y luego a intervalos de 5 minutos hasta que la diferencia entre 2 lecturas consecutivas sea despreciable o el nmero de lecturas permita determinar satisfactoriamente la permeabilidad.

2. Mtodo de carga variable creciente Este mtodo consiste en dejar fluir el agua dentro del pozo, midiendo la tasa de cambio en el nivel del agua a medida que asciende, hasta que el ascenso del nivel del agua en el pozo

16 Mecnica de suelos Permeabilidad

se torne muy pequeo. Los intervalos de lectura varan de acuerdo a la permeabilidad del suelo y nunca son menores a 5 minutos.

Ensayo carga constante En este mtodo el agua es aadida a la perforacin en una proporcin suficiente como para mantener un nivel de agua constante cercano o en el borde del agujero, por un perodo no menor a 10 minutos. El agua entrante debe medirse. Las anotaciones deben incluir el gasto de agua a los 5 minutos de haberse iniciado la experiencia y por intervalos de 5 minutos hasta que la cantidad de agua ingresada sea constante. Cualquiera sea el mtodo empleado para medir la permeabilidad del suelo, debe tenerse presente tomar nota de los siguientes datos, obtenidos en el momento del ensayo:

Profundidad desde la superficie del terreno hasta la napa fretica antes y despus del ensayo.

Dimetro interno de la perforacin.

Profundidad de la perforacin bajo la superficie

Longitud de la perforacin en la seccin estudiada

Dimetro de la perforacin, por debajo del cao de recubrimiento (cao camisa)

Profundidad desde el fondo del pozo hasta el extremo superior del cao de recubrimiento

Profundidad desde el nivel de agua hasta el borde del cao camisa

Descripcin del material testeado Finalmente el valor del coeficiente de permeabilidad puede ser calculado, en funcin de los datos recopilados.

17 Mecnica de suelos Permeabilidad

CONCLUSIN

Con todo lo visto anteriormente, podemos concluir que la permeabilidad es de gran

importancia en el mbito de la construccin, ya que antes de comenzar cualquier obra, se

debe calcular el coeficiente de permeabilidad, el cual es una caracterstica de los suelos,

que especficamente est ligado a la Ley de Darcy, que se refiere al flujo de fluidos a travs

de los suelos, este coeficiente generalmente es representado por la letra K donde es

obtenido indirectamente a travs de relaciones empricas con otras propiedades de los

suelos, su valor es extremadamente variable, segn el tipo de suelo.

La permeabilidad de los suelos depende de muchos otros factores, como la relacin

de vacos en el suelo, temperatura del agua, el tamao y continuidad de los poros; de la

presencia de grietas y discontinuidades, etc., por lo que existen diversos ensayos tanto en

laboratorio como en terreno para lograr un resultado exacto sobre l.

18 Mecnica de suelos Permeabilidad

BIBLIOGRAFA

PERMEABILIDAD DE SUELOS, Geologa y Geotecnia, Silvia Angelone, Mara Teresa Garibay, Marina

Cauhape, Universidad Nacional del Rosario, septiembre 2006