Coeficiente de permeabilidad, método carga constante y variable PDF

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De pelos...

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN FACULTAD DE INGENIERIA

PARA LA ASIGNATURA:

“Laboratorio de mecánica de suelos 1”

“Practica 6. COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD MÉTODO DE CARGA CONSTANTE Y CARGA VARIABLE.” TITULO DEL PROYECTO

AUTOR DEL TRABAJO:

• Leonardo Antonio Chan Chávez INSTRUCTORA DEL CURSO:

Marisela de la Flor Chi Cob

Semestre y Grupo:

5-B

Fecha de entrega: 3 de enero de 2021

Índice Competencias ..................................................................................................................... 3 Materiales ............................................................................................................................ 3 Marco teórico ...................................................................................................................... 4 Permeabilidad del suelo ..............................................................................................................4

Procedimiento ..................................................................................................................... 6 PERMEABILIDAD CARGA CONSTANTE ...............................................................................6 PERMEABILIDAD CARGA VARIABLE ....................................................................................7

Resultados ........................................................................................................................... 9 PERMEABILIDAD CARGA CONSTANTE ...............................................................................9 PERMEABILIDAD CARGA VARIABLE ..................................................................................10

Cálculos ............................................................................................................................. 11 Permeabilidad carga constante. ..............................................................................................11 Carga H .................................................................................................................................................. 11 Gradiente hidráulico ............................................................................................................................. 11 Coeficiente de permeabilidad K. ........................................................................................................11 Corrección de permeabilidad K20 ...................................................................................................... 12

Permeabilidad carga variable...................................................................................................12 Área de bureta ......................................................................................................................................12 Variable P .............................................................................................................................................. 13 Coeficiente de permeabilidad KT ....................................................................................................... 13 Corrección de permeabilidad K20 ...................................................................................................... 13

Conclusiones ..................................................................................................................... 14 Bibliografía ......................................................................................................................... 14

Competencias Determinar el coeficiente de permeabilidad por un método de carga constante o variable para flujos de agua que pasa a través de suelos granulares. Normas utilizadas: ASTM D 2434 – 68 y AASHTO T 125- 66.

Materiales •

Un permeámetro para carga constante de 3” (7.62 cm.) aproximadamente.

•

Un embudo o tanque filtrador de carga constante.

•

Un pisón metálico con guía.

•

Un permeámetro de carga variable.

•

Un dispositivo (sistema) de abastecimiento.

•

Una báscula de 2 kg. de capacidad y 1 gr. de sensibilidad.

•

Una bomba de vacío o aspirador para producir vacío.

•

Un cronómetro.

•

Un termómetro.

•

Un cucharón.

•

Una malla No. 4.

•

Una malla de 10.

•

Una malla de 200.

•

Una malla de 3/8”.

•

Una charola.

•

Una probeta de 100 ml.

•

Una bureta de 100 ml.

•

Un metro o un flexómetro.

•

Un vernier.

•

Un tanque de saturación.

Marco teórico Permeabilidad del suelo Permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es una de las cualidades más importantes que han de considerarse para la piscicultura. Un estanque construido en suelo impermeable perderá poca agua por filtración. Mientras más permeable sea el suelo, mayor sera la filtración. Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estanque es preciso aplicar técnicas de construcción especiales. En un volumen de está colección que aparecerá próximamente se ofrecerá información sobre dichas técnicas.

Imagen 1. Suelo permeable.

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 saturaci6n, 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 K depende también de la viscosidad del fluido en los poros (normalmente agua). A medida que la temperatura aumenta, la viscosidad del agua disminuye y el coeficiente de permeabilidad aumenta, es decir, la velocidad de flujo aumenta. El coeficiente de permeabilidad se ha normalizado a 20° C, de forma que el coeficiente de permeabilidad a cualquier temperatura T se puede expresar con respecto a K20, por medio de la siguiente ecuación: La permeabilidad del suelo suele medirse en función de la velocidad del flujo de agua a través de éste durante un período determinado. Generalmente se expresa o

bien como una tasa de permeabilidad en centímetros por hora (cm/h), milimetros por hora (mm/h), o centímetros por día (cm/d), o bien como un coeficiente de permeabilidad en metros por segundo (m/s) o en centímetros por segundo (cm/s).

Imagen 2. Coeficientes de permeabilidad.

El ensayo con permeámetro de carga constante se utiliza para suelos relativamente permeables, tales como gravas, arenas y mezclas de arena y grave. El coeficiente de permeabilidad para esta clase de suelos varía de 102 a 10!" cm/seg. El ensayo con permeámetro de carga variable se utiliza para suelos pocos permeables, tales como arenas, limos, arcillas limosas y mezclas de arena y limo o arcilla. El coeficiente de permeabilidad para esta clase de suelos varía de 10!" a

10!# cm/seg.

Procedimiento PERMEABILIDAD CARGA CONSTANTE Antes que nada el suelo debe cumplir las siguientes condiciones fundamentales de prueba para el flujo laminar de agua: a) Continuidad del flujo con ningún cambio volumétrico del suelo durante la prueba. b) Flujo con los vacíos del suelo saturados con agua y no burbujas de aire en los vacíos del suelo. c) Flujo en condición estable con ningún cambio en el gradiente hidráulico. d) Proporcionalidad directa de velocidad de flujo con gradiente hidráulico bajo ciertos valores, en los cuales comienza el flujo turbulento. Una vez secado el material se tamizó el material entre las mallas de 3/8”, No. 10 y No. 200 compliendo los siguientes requisitos: a) Menos del 35% del suelo ensayado se debe retener entre las mallas de 3/8” y No. 10 (100% del suelo ensayado pasa la malla de 3/8”). b) Nomásdel10%delsueloensayadodebepasarlamallaNo.200. Se seleccionó por el método de cuarteo, una muestra para el ensayo igual a una cantidad, aproximada de 2 veces que la requerida para llenar la cámara del permeámetro. Se midió el diámetro interior de la cámara de aluminio del permeámetro, se colocó una piedra porosa en la base del permeámetro. Se colocó el suelo preparado en capas delgadas uniformes de 1.5 centímetros de espesor aproximadamente, se tomó el suelo desde diferentes áreas (la muestra contenida en la charola) y se echó a través de un embudo en la cámara, seguido se revolvió el suelo que queda en la charola después de cada capa para reducir la segregación causada por tomar el suelo de la charola.

Se compactó cada capa con un pisón que se deja caer desde una altura de 27 cm, a cada capa se le da 20 golpes uniformemente distribuidos, se colocó la otra piedra porosa sobre la superficie del material compactado quedando al ras de la cámara, seguido se selló la cámara del permeámetro para que no exista fuga de agua durante el ensayo. Se midió la altura del material compactado usando la bomba de vacío se remueve el aire adherido a las partículas del suelo y a la vez, se expulsa el aire atrapado en los vacíos del suelo durante el acomodo del material dentro de la cámara del permeámetro colocando el permeámetro dentro de un recipiente lleno de agua de forma que la tapa del permeámetro quede sumergida por lo menos 5 cm. debajo del nivel del agua. Asegúrese de que la válvula de salida del permeámetro esté abierta, de manera que el agua puede entrar a través de la muestra para saturarla con una cantidad mínima de aire atrapado. Se abrió la llave para que el agua circule a través del sistema de abastecimiento y dando un gradiente menor que 4, dejando escurrir el agua por 15 minutos a fin de establecer el régimen; y una vez logrado esto, se procede a hacer mediciones. Une vez establecido el régimen, se pusó en marcha el cronómetro y se recogió al instante el agua que escurre en una probeta de litro registrando el tiempo que tarda para almacenar 100, 200, 300, 400, ... y 1000 ml. de agua, y registrar la temperatura del ensayo.

PERMEABILIDAD CARGA VARIABLE Se preparó una muestra representativa siguiendo los pasos indicados del permeámetro de carga constante, tamizando la muestra seleccionada en la malla No. 4. El material que pasó la malle No. 4, se seleccionó una cantidad aproximada de 2 veces que la requerida para compactar en la cámara del permeámetro (3 centímetros de altura). Se midió el diámetro interior de la cámara del permeámetro y se colocó una piedra porosa en la base del permeámetro.

Se colocó el suelo preparado en capas delgadas uniformes de 1.5 cm. de altura aproximadamente, tomando el suelo desde diferentes áreas (la muestra contenida en la charola) y se echa a través de un embudo en la cámara, luego se checa si tiene la altura de 1.5 cm, se compactó la capa con un pisón que se deja caer desde una altura de 27 cm. y a cada capa se le dio 30 golpes uniformemente distribuidos, mientras se colocaron las capas, se fueron compactando. Se colocó la otra piedra porosa sobre la superficie del material compactado sellando la cámara del permeámetro para que no exista fuga de agua durante el ensayo. Se midió la altura del material compactado, se sacó el permeámetro de la cubeta de inmersión y se conectó el tubo de entrada a una bureta vertical de carga variable. Se llenó la bureta y se mide la altura h1 abriendo la llave de la bureta para que el agua corra a través de la muestra (simultáneamente se pusó en marcha el cronómetro) hasta que la bureta se encuentre a la altura h2. Se midió la altura h2 y el tiempo que tarda pasar el flujo de agua del punto h1 a h2, se registró la temperatura del ensayo y se mide el área a de la bureta. Por último, se volvió a llenar la bureta y repetir dos veces más el ensayo. Utilizando los mismos valores de h1 y h2.

Resultados PERMEABILIDAD CARGA CONSTANTE Ensaye: __Carga Constante__ Operador: _________________ Muestra: ____Saaskab____ Permeámetro: Carga Constante

nT: 0.8139

Diámetro de la muestra: 10.13 cm

n20: 1

Longitud de la muestra: 16.57 cm

h1: 110.8 cm

Área de la muestra: 80.5951 cm

h2: 48.5 cm

Volumen de la muestra: 100 cm

2

3

(H/L)

(cm^3)

Volumen K20 (Q) Kt (cm/seg) (cm/seg) cm^3

62.30

3.75981

100

100

0.00140167 0.001128764

29.5

62.30

3.75981

200

100

0.00132395 0.001066181

246.82

29.5

62.30

3.75981

300

100

0.00133704 0.001076721

246.83

29.5

62.30

3.75981

400

100

0.00133699 0.001076677

246.55

29

62.30

3.75981

500

100

0.00133851 0.001089411

251.88

29

62.30

3.75981

600

100

0.00131018 0.001066358

257.03

29

62.30

3.75981

700

100

0.00128393 0.001044992

246.96

29

62.30

3.75981

800

100

0.00133628 0.001087602

253.17

29

62.30

3.75981

900

100

0.00130351 0.001060925

257.44

29

62.30

3.75981

1000

100

0.00128189 0.001043328

Tiempo (t)

Temperatura Carga (H) °C

cm

235.44

29.5

249.26

Gradiente Lectura hidráulico probeta

Promedio

0.001074069

PERMEABILIDAD CARGA VARIABLE Ensaye: __Carga Variable__ Operador: _______________ Muestra: ____Saaskab____ Permeámetro: Carga Variable

nT: 1

n20: 0.8318

Diámetro de la muestra: 6.298 cm Longitud de la muestra: 12.61 cm Área de la muestra:

31.1526 cm2

Volumen de la muestra:

Temp. Vol.

A.

h1: 90 cm

h2: 70 cm

392.8342 cm

ℎ$ ℎ%&

ln .

3

ℎ$ / ℎ%&

P

Δ𝑡

𝐾'& .

𝑐𝑚 / 𝑠𝑒𝑔

𝐾%(& .

𝑐𝑚 / 𝑠𝑒𝑔

ºC

Recip. bureta

28

3.9

0.195

1.28571429

0.251314428

0.01983681 178.98 0.00011083 9.21905E-05

28

4.5

0.225

1.28571429

0.251314428

0.02288863 169.45 0.00013508 0.000112356

28

4.5

0.225

1.28571429

0.251314428

0.02288863 173.96 0.00013157 0.000109443

28

4.6

0.23

1.28571429

0.251314428

0.02339727 170.6

0.00013715 0.000114079 Promedio

0.000107017

Cálculos Permeabilidad carga constante. Carga H 𝐻 = : ℎ$ − ℎ%

𝐻 = 110.8 − 48.5 = 62.5 Donde ℎ$ = Altura de la columna de agua en la bureta antes de iniciar la practica (cm). ℎ% = Altura de la columna de agua en la bureta al finalizar la practica (cm). Gradiente hidráulico 𝑖=

62.5 𝐻 = = 3.75981 𝐿 16.57

Coeficiente de permeabilidad K. 𝐾=

𝑄∗𝐿 𝐴∗𝑡∗𝐻

Ejemplo. 𝐾= 𝐾=

100 ∗ 16.57

80.5951 ∗ 235.44 ∗ 62.3

= 0.00140167

100 ∗ 16.57 = 0.00132395 80.5951 ∗ 249.26 ∗ 62.3

K = Coeficiente de permeabilidad. Q = Cantidad de agua descargada. L = Longitud de la muestra (cm). A = Área de la sección transversal del espécimen (cm2). t = Tiempo total de descarga (seg). H = Diferencia de carga. t= Tiempo total de carga

Corrección de permeabilidad 𝐾%( 𝜂 #!$ 𝐾!" = 𝐾# 4 6 𝜂 #!" 0.8139 𝐾!" = 0.00140167 4 6 = 0.001128764 1 𝜂 𝐾!" = 𝐾# 4 #!$.&6 𝜂 #!"

Donde:

0.8053 𝐾!" = 0.00133815 4 6 = 0.001089411 1

𝐾!"= Coeficiente de permeabilidad corregida.

𝐾#= Coeficiente de permeabilidad del ensayo.

𝜂 #!$ = Viscosidad del agua a la temperatura (T) del ensayo. 𝜂 #!" = Viscosidad del agua a 20 ºC.

Permeabilidad carga variable. Área de bureta 𝑎=

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛:𝑑𝑒𝑙:𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ℎ$ − ℎ%

Ejemplo 𝑎=

3.8 = 0.195 90 − 70

𝑎=

4.5 = 0.225 90 − 70

Variable P 𝑃=

𝐿∗𝑎 ℎ$ ln. / 𝐴 ℎ%&

𝑃=

90 12.61 ∗ 0.195 ln . / = 0.01983681 31.1526 70

𝑃=

90 12.61 ∗ 0.225 ln . / = 0.02288863 31.1526 70

Donde A es área a área de bureta Coeficiente de permeabilidad 𝐾# 𝐾# =

Ejemplo

ℎ 𝐿∗𝑎 𝑃 ln 7 1 8 = 𝐴∗𝑡 Δ𝑡 ℎ2&

𝐾# =

0.01983681 = 0.00011083 178.98

𝐾# =

0.02288863 = 0.00013508 169.45

Corrección de permeabilidad 𝐾%( 𝜂 𝐾!" = 𝐾# 4 #!' 6 𝜂 #!" 0.8318 𝐾!" = 0.00011083 4 6 = 9.21905x10−5 1 0.8318 𝐾!" = 0.00013508 4 6 = 0.000112356 1

Conclusiones En el ensaye de permeabilidad con carga continua se obtuvo una K=0.001074069 que de acuerdo con la tabla de coeficientes de permeabilidad el suelo resulta ser una arena limpia, con permeabilidad rápida. En el ensaye de permeabilidad con carga variable se obtuvo una K=0.000107017 que de acuerdo con la tabla de coeficientes de permeabilidad el suelo resulta ser una arena limpia, con permeabilidad rápida. La importancia del estudio de la permeabilidad del suelo: Evaluar la cantidad de filtración a través o por debajo de presas y diques, hacia posos de agua, la subpresión o fuerzas de filtración bajo estructuras hidráulicas, para un análisis de estabilidad, un control de las velocidades de filtración,

Bibliografía (2019). Permeabilidad del suelo. 3/02/21, de Fishery Sitio web: http://www.fao.org/fishery/static/FAO_Training/FAO_Training/General/x6706s/x670 6s09.htm#:~:text=Permeabilidad%20es%20la%20propiedad%20que,suelo%2C%2 0mayor%20sera%20la%20filtraci%C3%B3n. Juárez Badillo, E. y Rico Rodríguez, A. Mecánica de Suelos. 3ra. Ed., Limusa, 2001. Geología y Geotecnia, (septiembre 2006), Permeabilidad de suelos. Universidad Nacional de Rosario, facultad de ciencias exactas, ingeniería y Agrimensura, recuperado del sitio web: https://www.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Permeabilidad%20en%20Suelos. pdf...