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“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático”
Universidad Peruana Los Andes
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
CURSO : GEOTECNIA
CICLO : VII
TEMA : “ENSAYO DE LEFRANC – ENSAYO DE LUGEON”
DOCENTE : ING. JORGE FELIX HUAYHUA ROJAS.
ALUMNOS : VERGARA MATTOS JUNIOR GIOVANI.
NEYRA LEYVA ALEJANDRO.
GARAVITO TORRES CHARLES MOISES.
SUAREZ MELENDEZ MIGUEL.
TURNO : C-1 NOCHE
2013
UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO DE LEFRANC – ENSAYO DE LUGEON
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UPLA-00-E-IF-0001
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Doc. UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES: UPLA-00-E-IF-0001-0
INDICE
1 ENSAYO LEFRANC....................................................................................................3
1.2 Ensayo con carga hidráulica constante..............................................................3
1.3 Ensayo con carga hidráulica variable.................................................................5
2 ENSAYO LUGEON.....................................................................................................6
1 ENSAYO LEFRANC
El ensayo Lefranc es uno de los ensayos de permeabilidad, "in situ", que se aplica
con mayor frecuencia. Consiste en introducir, o bombear agua desde un sondaje,
donde la cavidad es mantenida constante, a una determinada profundidad. Se aplica
principalmente a suelos sueltos. Para suelos rocosos fracturados se utiliza, para el
mismo fin, el ensayo Lugeon. Existen dos modalidades, con presión constante, o,
con presión variable.
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1.2 Ensayo con carga hidráulica constante
En el ensayo con carga hidráulica constante se introduce o bombea en un
pozo de sondeo el caudal necesario para mantener, en el pozo que se está
verificando, a un nivel constante. La interpretación del ensayo se basa en
algunas hipótesis que simplifican el problema, pero que no afectan
sustancialmente el resultado. Las hipótesis son:se trata de un flujo laminar,
(campo de aplicación de la ley de Darcy); que el medio es isotrópico y
homogéneo; y, que se trata de un régimen permanente. En estas condiciones
el caudal es proporcional a la permeabilidad, representada por el
coeficiente de permeabilidad , y a la carga hidráulica , es decir:
Donde es un coeficiente característico de la cámara filtrante.
La carga hidráulica está dada por la altura del agua en el agujero, por encima
del nivel freático (la carga se considera nula antes del ensayo). La posición del
nivel freático, sin embargo, no siempre puede determinarse con precisión, lo
que dificulta la determinación confiable del coeficiente de permeabilidad.
Para minimizar el error en el cálculo del coeficiente de permeabilidad es
conveniente que se pueda garantizar con una buena aproximación la forma de
la cavidad, preferentemente cilíndrica, sea utilizando in tubo perforado en el
tramo a ser analizado, lo que garantiza también la estabilidad de las paredes
durante el ensayo, permitiendo la entrada del agua al estrato a ser analizado
sin grandes pérdidas de carga. Otra forma de garantizar la permanencia de la
cámara de infiltración es introduciendo grava gruesa en el pozo y retirando el
revestimiento hasta la altura deseada. Frecuentemente el estrato de acuífero
que se ensaya tiene una longitud entre 0.5 y 1.0 m.
A Continuación se dan los coeficientes de forma de la cámara filtrante,
correspondiente a alguna de sus configuraciones posibles:
superficie filtrante limitada al fondo del diámetro interior de la
perforación
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donde es el radio de la perforación.
superficie filtrante asimilable a una esfera de radio = al radio de la
perforación.
superficie filtrante conformada por un tramo filtrante del recubrimiento
de la perforación de longitud y de diámetro , igual al diámetro de
la perforación.
en el caso de que >> , la formula anterior se transforma en:
1.3 Ensayo con carga hidráulica variable
En el ensayo con carga hidráulica variable se introduce o se extrae un
determinado volumen de agua en la cavidad de infiltración y se mide la
variación del nivel piezométrico en el pozo a lo largo del tiempo. Este topo de
ensayo es, en general, utilizado para suelos poco permeables (k < 10-4 cm/s).
El coeficiente de permeabilidad k se determina mediante la expresión:
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Dónde:
= coeficiente característico de la cámara filtrante.
= sección transversal del pozo
= carga hidráulica en el inicio del ensayo ≠
= carga hidráulica variable en función del tiempo
= logaritmo natural
2 ENSAYO LUGEON
Es un ensayo en campo que se realiza con sondeos, únicamente en rocas
consolidadas, para medir la permeabilidad. Consiste en medir el volumen de agua
(V) que se inyecta durante un tiempo (t), es decir, el caudal Q= V/t en un tramo de
sondeo de longitud (L) a una presión (Ht).
Con este ensayo se busca tener una idea de la permeabilidad en grande, es decir,
la debida a las fisuras de la roca o del material granular cementado en estudio.
Supongamos una perforación invadida hasta una cierta profundidad, a partir de esta
se perforan unos 5 metros y luego se fija un obturador en la parte superior de este
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tramo virgen y se inyecta agua a presión con una bomba. Un manómetro colocado
en la boca del pozo, un contador de agua y una válvula de descarga, permiten
medir los caudales inyectados a una presión dada.
Imágen1. Montaje Ensayo Lugeon
Tomada de: http://ussdams.com/proceedings
El ensayo es hecho en cinco estados, en los cuales la presión con la que el agua es
inyectada, varía entre cada uno de ellos. Antes de empezar, se define la presión
máxima que va a ser utilizada, esta no debe exceder la presión de confinamiento
esperada de la profundidad de la perforación; sobre esta presión máxima se trabaja
durante el ensayo para no generar fracturas en la roca a causa de la presión
generada por el agua.
Cada estado consiste en bombear cuanta cantidad de agua sea necesaria para
mantener definida y constante la presión de la misma, ésto se hace, generalmente,
en intervalos de 10 minutos. Esta presión es incrementada en cada estado
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subsecuente, hasta llegar a la presión máxima ya establecida. Una vez ésta es
alcanzada, la presión del agua debe ser reducida pasando por las mismas presiones
de los estados anteriores.
Los cinco estados son:
Estado 1 Estado 2 Estado 3 Estado 4 Estado 5Bajo
0.50*PMAX
Medio 0.75*PM
AX
MáximoPMAX
Medio 0.75*PM
AX
Bajo 0.50*PMAX
Siendo PMAX la presión máxima definida a la cual el agua debe ser inyectada.
Para conocer la permeabilidad en el macizo rocoso, se tiene entonces la ecuación:
Donde: k: permeabilidad. Q: velocidad constante del flujo en la perforación. L: longitud del tramo ensayado. Ht : presión de sobrecarga a la profundidad del ensayo/ peso específico del el agua. r: radio de la perforación de prueba.
Es común para este ensayo expresar la permeabilidad del macizo rocoso en lugeons. Un Lugeon (Lg) es una unidad equivalente a 1 litro por minuto y metro, bajo una presión de 10 kg/cm2; esto es aproximadamente igual a 1 × 10 -7 m/s. Es una unidad pequeña, y valores menores de un Lg indican en la práctica terrenos poco permeables.
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Algunos registros:
Haciendo pruebas Lugeon: http://www.youtube.com/watch?v=rOMr5CZsMZ4
Imágen 2. Tomada de: www.demecanica.com/Geotecnia
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Imagen 3. Equipamiento básico para la prueba de compresión.Tomada de: www. geotechnique.com
Imagen 4. Obturador.Tomada de: www.myv-sg.com
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Imagen 5. Instrumentación debajo de la roca.
Tomada de: www.myv-sg.com
Imágen 6. ManómetroTomada de: www.geonival.com
Ejemplos:
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1. Calcular la permeabilidad de un macizo rocoso, en el cual se tomó una longitud
de 6 m para realizar las perforaciones, cuyos radios fueron de 2.5 cm cada uno; el
caudal fue de 0.0312 cm³ por segundo y la presión de sobrecarga de 15 m.
Reemplazando en la ecuación anteriormente presentada se obtiene:
k= (0.0312 cm³ / 2π*600cm*1500cm) * Log(600cm / 2.5cm)
k= 1.313 *10^ -8 cm/s
Es una permeabilidad muy baja, lo cual nos muestra que es una roca prácticamente
impermeable.
2. Caso de estudio.
Este ensayo de campo fue utilizado para evaluar la seguridad de la presa Porce II
que inicio su operación en febrero de 2001 con monitores rutinarios. Dieciocho
meses después se detectaron afloramientos de agua en la zona alta y media del
macizo rocoso de la margen izquierda, unos 5 m aguas abajo de la presa. Con el fin
de complementar y verificar la caracterización de la roca de fundación, se instalaron
piezómetros de tubo abierto y efectuaron ensayos de permeabilidad, se hicieron
perforaciones con taladro rotatorio. Las profundidades variaron entre 4.0 y 6.0 m con
un diámetro de 2 pulgadas.
Para determinar las propiedades geo mecánicas de los suelos y rocas de
la fundación de la presa y obras anexas, se efectuaron 4.615 m de
perforación, distribuidas en 90 perforaciones. Específicamente en el sitio de presa
se efectuaron 64 ensayos de permeabilidad Lugeon, distribuidos en 21
perforaciones. Dichos ensayos tenían la finalidad de determinar el grado de
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fracturamiento de la roca y con ello su permeabilidad, para posteriormente,
proyectar inyecciones de lechada en caso de ser necesario. El análisis de los
ensayos arrojó que las rocas presentaban más permeabilidad en algunos lugares.
Con el fin de establecer el comportamiento de la presa al trascurrir determinado
tiempo, se iniciaron nuevamente ensayos de campo, esta vez fueron tres ensayos
de Lugeon. Los ensayos efectuados indican que la permeabilidad de la roca, en el
sitio ensayado, disminuye en profundidad, y que el agua transita por las
discontinuidades superficiales. En los primeros 5 m, la permeabilidad es
relativamente alta, variando entre 47 y 25 uL (unidades lugeon); a partir de 5 m de
profundidad, el macizo rocoso presenta valores de permeabilidad cercanos a 5 uL
que indica un macizo rocoso de permeabilidad relativamente baja.
Este análisis del comportamiento indica que la presa podría presentar problemas de
seguridad en caso que las infiltraciones tiendan a incrementarse con el tiempo.
Referencias Bibliográficas.
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Camilo Quiñones-Rozo, P.E. LUGEON TEST INTERPRETATION, REVISITED.
[en linea] http://ussdams.com/proceedings/2010Proc/405-414.pdf
Bliss, J., Rushton, K. (1984). The reliability of packer tests for estimating the
hydraulic conductivity of aquifers. Q. J. Eng. Geol. Vol. 17, pp. 81-91.
Terzaghi, K., Peck, R., Mesri, G. (1996). Soil Mechanics in Engineering Practice.
Third Edition. J. Wiley & Sons. New York, N.Y. pp. 72-73.
Estudios de seguridad en la presa Porce II. Tesis de Grado.
DICCIONARIO DE CIENCIAS DE LA TIERRA. Pág 277. [en
línea] http://books.google.com.co.
http://www.geotechnique.info.