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ensayo de permeabilidad de carga constante...

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FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL MECÁNICA DE SUELOS

Laboratorio N°04 ENSAYOS

:

- Determinación del Coeficiente de Permeabilidad K en Suelos granulares por el Método de Carga Constante. - Compresión Simple o Compresión No Confinada

DOCENTE

:

INTEGRANTES

:

- FALEN SOLIS Jorge

CICLO

:

2016 – I

GRUPO

:

04

SECCION

:

CX - 53

FECHA

:

06 de junio del 2016

2016 - I LIMA – PERU

INDICE 1. Determinación del Coeficiente de Permeabilidad k en los suelos Granulares Por el Método de Carga Constante 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Introducción Objetivos Norma Técnica ASTM D-2434 (2006), AASHTO T-215 Marco teórico Aparatos Utilizados

1.6 Procedimiento 1.7 Cálculos y Resultados 1.8 Tema de Investigación 1.9 Precauciones a tomar durante el ensayo efectuado y fuentes de error 1.10 Conclusiones 2. Compresión Simple o Compresión No Confinada 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Introducción Objetivo Norma Técnica ASTM D-2166, AASHTO T 208 Marco Teórico Aparatos Utilizados

2.6 2.7 2.8 2.9

Procedimiento Cálculos y Resultados Precauciones a tomar durante el ensayo efectuado y fuentes de error Conclusiones

Laboratorio N°4 – Mecánica de Suelos UPC

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1. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD K EN LOS SUELOS GRANULARES POR EL MÉTODO DE CARGA CONSTANTE 1.1.

INTRODUCCIÓN La mecánica de suelos es la ciencia que investiga la naturaleza y

comportamiento de la masa del suelo, formada por la unión de las partículas dispersas de variadas dimensiones y constituye una especialidad de la geo mecánica que engloba la mecánica de las rocas y de los suelos formados por substancias minerales y orgánicas Los suelos tienen vacíos interconectados a través de los cuales el agua puede fluir de puntos de alta energía a puntos de baja energía. El estudio del flujo de agua a través de un suelo como medio poroso es importante en la mecánica de suelos, siendo necesarios para estimar la cantidad de infiltración subterránea bajo varias condiciones hidráulicas, para investigar problemas que implican el bombeo de agua para construcciones subterráneas y para el análisis de estabilidad de las presas de tierra y de estructuras de retención de tierras sometidas a fuerzas de infiltración. Este método de ensayo es uno de los procedimientos utilizados para determinar el coeficiente de permeabilidad o capacidad de filtración del agua en un volumen de suelo determinado, mediante un proceso de cabeza constante para el flujo laminar de agua en suelos granulares. Este laboratorio está destinado a establecer valores representativos del coeficiente de permeabilidad de suelos granulares en estado natural, para conocer sus características y métodos de construcción que se pueden llevar a cabo con dicho suelo. De esta manera, el presente informe detallará la determinación del coeficiente de permeabilidad en suelos granulares y el ensayo de compresión simple que se realizó en los laboratorios de la facultad de ingeniería civil en la Universidad Peruanas de Ciencias Aplicadas. Laboratorio N°4 – Mecánica de Suelos UPC

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1.2.

OBJETIVOS Determinar el coeficiente de permeabilidad mediante carga constante para flujo laminar de agua a través de suelos granulares que no contenga más del 10% de partículas que pasan el tamiz de 75 µm (No 200), por medio de una serie de mediciones y procedimientos normalizados. Hallar la capacidad que posee el suelo para permitir el paso del agua a través de los vacíos existentes en él.

1.3.

NORMA TÉCNICA ASTM D-2434 (2006), AASHTO T-215 Este método de ensayo cubre la determinación del coeficiente de permeabilidad mediante un método de carga constante para el flujo laminar de agua a través de los “suelos granulares”. El procedimiento es establecer valores representativos del coeficiente de permeabilidad de los suelos granulares que pueden ocurrir en depósitos naturales como colocado en terraplenes, o cuando se usa como cursos de base bajo pavimentos. Con el fin de limitar las influencias de consolidación durante las pruebas, este procedimiento está limitado a los suelos granulares perturbados que no contengan más de un 10% del suelo que pasa el tamiz de 75 m (N ° 200). Normas relacionadas 

D 422 Método de prueba para partículas de tamaño de Análisis de Suelos



D 4253 Métodos de prueba para Máximo Índice de Densidad y peso unitario de suelos utilizando una mesa vibratoria



D 4254 Métodos de prueba para índice mínimo de densidad y peso unitario de suelos y cálculo de la densidad relativa

1.4.

MARCO TEORICO 

Permeabilidad: Es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire, es una de

las cualidades más importantes que han de considerarse para la piscicultura. Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Algunos suelos

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son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos es preciso aplicar técnicas de construcción especiales. La permeabilidad del suelo suele aumentar por la existencia de fallas, grietas, juntas u otros defectos estructurales. Algunos ejemplos de roca permeable son la caliza y la arenisca, mientras que la arcilla, margas (rocas sedimentarias de aspecto similar a la caliza, compuestas por arcillas y carbonato de calcio a partes iguales), pizarra o el basalto son prácticamente impermeables. 

Coeficiente de permeabilidad: Característica de los suelos, específicamente está ligado a la Ley de

Darcy que se refiere al flujo de fluidos a través de los suelos. El coeficiente de permeabilidad, generalmente representado por la letra k, es extremadamente variable, según el tipo de suelo. El coeficiente de permeabilidad es función, entre otras cosas de la viscosidad del agua, que es función a su vez de la temperatura (normalmente se establece la permeabilidad para 20 0C; del tamaño y continuidad de los poros; y, de la presencia de grietas y discontinuidades. Clasificación de los suelos según su coeficiente de permeabilidad: Grado de permeabilidad Elevada Media Baja Muy baja Prácticamente impermeable 

Valor de k (cm/s) Superior a 10 -1 10 -1 a 10 -3 10 -3 a 10 -5 10 -5 a 10 -7 Menor de 10 -7

Ley de Darcy: La Ley de Darcy describe, con base en experimentos de laboratorio, las características del movimiento del agua a través de un medio poroso. La expresión matemática de la Ley de Darcy es la siguiente: Q=k ×

∆h ×A l

Dónde: Q = gasto, descarga o caudal en m3/s. Laboratorio N°4 – Mecánica de Suelos UPC

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l = longitud en metros de la muestra k

=

una

constante,

actualmente

conocida

como coeficiente

de

permeabilidad de Darcy, variable en función del material de la muestra, en m/s. A = área de la sección transversal de la muestra, en m2. h = diferencias de altura, entre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a la entrada de la capa filtrante y el tubo colocado en la salida de la capa. El

agua,

por

relaciones

de

energía, circula de mayor a menor altura piezométrica. Tal y como se puede ver, la relación gradiente

∆h l

se de

priezométricas o

trata

del

alturas gradiente

hidráulico.

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1.5.

APARATOS UTILIZADOS •

Permeámetro de compactación de 4” de diámetro. Para suelos cuyo tamaño

máximo de partículas sea menor o igual a 3/8”.

•

Tanque de carga constante con indicador de nivel de agua constante, orificios

de ingreso y salida libre de agua. (Altura conocida)

Piedras porosas

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Termómetro con aproximación a 0.1 °C.

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Cronómetro

Probeta graduada de 250 ml.

Cinta métrica o wincha

Recipientes, bandejas de mezclado y herramientas varias

1.6.

PROCEDIMIENTO

a. Se tiene una muestra de suelo limpio, el cual se humedece (Foto 1) y luego se compactará usando el método de Proctor Estándar, en 3 capas de 15 golpes cada una (Foto 2). Luego el recipiente se armará sobre el permeámetro, en el que una piedra porosa se encuentra como base.

(Foto 1) Laboratorio N°4 – Mecánica de Suelos UPC

(Foto 2) Página 8

b. Una vez colocada la última capa del suelo se retira el collarín (foto 3) y se enrazará con la ayuda de una regla metálica

(Foto 3) c. Se colocará sobre una balanza (foto 6) para obtener el peso de la muestra compactada más el molde. d. Se coloca otra piedra porosa en la parte superior del molde (Foto 4) y se monta la parte superior del permeámetro, colocando un resorte sobre esta y cerrándolo con una tapa (Foto 5).

(Foto 4)

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(Foto 5)

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e. Se conecta el permeámetro al embudo mediante una manguera . Luego, se vierte agua por el embudo y se abre la válvula de pase, permitiendo el pase del agua por la muestra, saturándola. Este proceso también servirá para limpiar la muestra de suelo (Foto 6).

(Foto 6) f. Se conecta la manguera en la válvula inferior y se coloca dentro de una probeta (Foto 12). Se mide el tiempo, con un cronometro, en el cual se llenará cierto volumen determinado (Foto 13). El ensayo se repite 3 a 4 veces.

(Foto 12)

(Foto 13).

g. Se toma la temperatura en cada una de cada ensayo Laboratorio N°4 – Mecánica de Suelos UPC

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1.7.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

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 

Carga hidráulica, Taque de carga constante: Volumen llenado en la probeta:

De los tiempos tomados con el cronometro para obtener el volumen deseado en la probeta. Obtenemos los siguientes datos: Para el cálculo del coeficiente de permeabilidad

K=

Q∗L A∗t∗h Corrección por temperatura

Se procede a Interpolar las temperaturas correspondientes para obtener RT −¿ ❑ = −RT ¿ ❑

RT=0

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1.8.

TEMA DE INVESTIGACIÓN: ¿Qué otro tipo de pruebas pueden efectuarse para determinar el coeficiente de permeabilidad en laboratorio y campo y en qué tipo de suelos son aplicables? 

METODO PARA OBTENER LA PERMEABILIDAD CON LA GRANULOMETRIA EN LABORATORIO: Cuando se trata de arenas y gravas limpias, el valor de la permeabilidad se puede calcular de la siguiente manera:



METODO DEL BOMBEO DE POSOS PARA OBTENER LA PERMEABILIDAD EN CAMPO: En el campo, la permeabilidad promedio de un depósito de suelo en la dirección del flujo se determina efectuando pruebas de bombeo en pozos. La siguiente figura muestra un caso donde el estrato superior permeable, cuya permeabilidad se busca, no está confinado y se encuentra sobre un estrato impermeable. Durante la prueba, el agua es bombeada a razón constante desde un pozo de prueba que tiene un revestimiento perforado. Se perforan varios pozos de observación a varias distancias radiales alrededor del pozo de prueba. Se hacen observaciones continuas del nivel del agua en el pozo de prueba y en los pozos de observación después de iniciado el bombeo, hasta que se alcanza un régimen permanente, el cual se establece cuando el nivel del agua en los pozos de prueba y observación se vuelve constante.

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La expresión para la tasa de flujo del agua freática q hacia el pozo, que es igual a la tasa de descarga o gasto del bombeo, se escribe como:



METODO DE PERCOLACIÓN PARA MEDIR LA PERMEABILIDAD EN CAMPO: Este método es el más práctico para ejecutar en campo. Se usa para todos los suelos en los que se pueda cavar y estos no se desmoronen. 1. Cavar un hueco de 30cm x 30cm x 30cm y llenar 10cm de agua al hueco.

2. Asegurarse de que la altura del agua sea exactamente 10cm y comenzar a controlar el tiempo. Cada hora se debe medir la atura del agua y tomar nota.

3. El valor de la permeabilidad para cada hora se calcula dividiendo:

Luego, el valor de K es el promedio del valor obtenido en todas las horas.

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1.9.

PRECAUCIONES A TOMAR DURANTE EL ENSAYO EFECTUADO Y FUENTES DE ERROR  Se recomienda tener precisión al momento de tomar el tiempo con el cronometro, pues un ligero cambio podría modificar los resultados, ya sea al tomar un tiempo antes, pues no llego al volumen indicado o al tomar un tiempo después ya que se tendrá que tomar en cuenta un volumen que no estamos considerando.  Recordar que el Rt está en función de la temperatura y el coeficiente de permeabilidad que tenemos por dato de tabla. Por lo tanto, al momento de sumergir el termómetro en el agua, tenemos que dar una correcta lectura, para disminuir nuestro margen de error.  Al momento de colocar la piedra porosa en la parte superior del molde se debe de asegurar que la colocación sea precisa, pues si no se coloca adecuadamente el jebe que impide que el agua salga del molde, el agua saldrá desbordada y se tendrá que reacomodar todo el equipo.

1.10. CONCLUSIONES • Se describió el procedimiento para determinar el coeficiente de permeabilidad mediante carga constante para flujo laminar de agua a través de suelos granulares que no contenga más del 10% de partículas que pasan el tamiz de 75 µm (No 200). • Con las dimensiones dadas al inicio para hallar el área y el volumen, se pudo determinar el coeficiente de permeabilidad que resulto 00000

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2. COMPRESIÓN SIMPLE O COMPRESIÓN NO CONFINADA 2.1.

INTRODUCCION En el presente informe mostraremos como determinar la resistencia a la compresión confinada, que es la carga por unidad de área a la cual una probeta de suelo, cilíndrica, falla en el ensayo de compresión simple. Este ensayo se emplea únicamente para suelos cohesivos, ya que en un suelo carente de cohesión no puede formarse una probeta sin confinamiento lateral. Para tal se trabajara con una muestra arcillosa por ello es importante comprender el comportamiento de los suelos sometidos a cargas, ya que es en ellos o sobre ellos que se van a fundar las estructuras, ya sean puentes, edificios o carreteras, que requieren de una base firme, o más aún que pueden aprovechar las resistencias del suelo en beneficio de su propia capacidad y estabilidad, siendo el estudio y la experimentación las herramientas para conseguirlo, y finalmente poder predecir, con una cierta aproximación, el comportamiento ante las cargas de estas estructuras

2.2.

OBJETIVO  Determinar la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo con el objeto de evaluar la carga que puede actuar sobre él sin provocar la falla de su masa.

 Determinar el módulo de elasticidad (E).  Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar el ensayo de compresión no confinada, aprendiendo las características de cada uno, y los cuidados que debemos tomar para realizar le ensayo.  Obtener la resistencia ultima a compresión de los suelos cohesivos.  Construir el gráfico esfuerzo vs deformación a partir de los datos obtenidos de la experiencia y de las fórmulas teóricas necesaria.  Procesar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado.

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2.3.

NORMA TÉCNICA ASTM D-2166, AASHTO T 208 Estos métodos de ensayo cubren la determinación de la resistencia a la compresión no-confinada de suelo cohesivo en las condiciones inalterada y remoldeada, empleado la aplicación de la carga ya sea por deformación controlada o por esfuerzo controlado. El propósito principal del ensayo de compresión no-confinada es obtener de manera rápida valores cuantitativos aproximados de la resistencia a la compresión para permitir su ensayo sin confinamiento. Este método de ensayo proporciona un valor aproximado de la resistencia de los suelos cohesivos en términos de tensiones totales. Este método de ensayo es aplicable solamente a los “materiales cohesivos que no expulsan o sangran agua” (agua expulsada de la tierra debido a la deformación o la compactación) durante la parte de la carga de la prueba y que retener la fuerza intrínseca después de la eliminación de las presiones de confinamiento, como arcillas o suelos cementado. El suelo seco y desmenuzable, materiales fisurados o varved, limos, turbas, arenas y no se pueden probar con este método para obtener valores de resistencia a la compresión no confinada válidos.

2.4.

MARCO TEORICO Ensayo de corte directo: El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remoldeados o compactados. No obstante, existe una limitación en el tamaño máximo de las partículas presentes en las muestras. Ensayo de compresión triaxial: El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados (cohesivos y no cohesivos) Por otro lado, el principal inconveniente de realizar este ensayo es su elevado costo, ya que en promedio resulta ser 10 veces el del ensayo de compresión simple. Ensayo de compresión simple: Este ensayo es utilizado es aplicable solo a suelos cohesivos, como las arcillas, que no expulsan agua durante la etapa de carga del ensayo y que mantienen su resistencia después de remover las presiones de confinamiento.

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Por otro lado, no pueden ser ensayados por este método los suelos secos friables, probetas fisuradas o que poseen alguna falla, los suelos de cenizas volcánicas, las turbas, las arcillas muy blandas y los suelos que muestran gran cantidad de limo y arena, debido a que los resultados no presentarían valores significativos. Cabe resaltar que la compresión simple es cuando la muestra se somete a una carga vertical (axial) más no horizontal. El ensayo de compresión simple tiene por finalidad, determinar la resistencia a la compresión no confinada (qu), de un cilindro de suelo cohesivo o semicohesivo, e indirectamente la resistencia al corte (qc), por la expresión:

Este cálculo se basa en el hecho de que el esfuerzo principal menor es cero (ya que al suelo lo rodea solo la presión atmosférica) y que el Angulo de fricción interna φ del suelo se supone cero. Debido a numerosos estudios, se ha hecho evidente que este ensayo generalmente no proporciona un valor bastante confiable de la resistencia al corte de un suelo cohesivo, debido a la perdida de la restricción lateral provista por la masa del suelo, las condiciones internas del suelo como el grado de saturación o la presión de poros que no puede controlarse y la fricción en los extremos producidas por las placas de apoyo. Sin embargo, si los resultados se interpretan adecuadamente, reconociendo las deficiencias del ensayo, estos serán razonablemente confiables. El ensayo de la compresión simple es un caso especial del ensayo triaxial, en el cual solamente se le aplica a la probeta de tensión longitudinal. Puesto que no es necesario el dispositivo ...