Cabeza Constante y Cabeza Variable

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    30-Nov-2015

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Unidad Acadmica de HidrulicaFacultad de IngenieraUniversidad Nacional de Colombia-Sede BogotInforme de laboratorio Permeabilidad(Cabeza constante y cabeza variable)[1]Willian Florez Angel[2]Santiago Rivera[3]Luis Gabriel Argothy[4] Carolina Ustariz, CdRESUMENLos suelos estn formados por partculas minerales slidas que dejan vacos entre ellas. Estos vacos estn interconectados y permiten el flujo de agua a travs 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 presin hidrulica. El coeficiente de permeabilidad es expresado en trminos de velocidad. Este fenmeno es gobernado por las mismas leyes fsicas en todos los tipos de suelos y la diferencia en el coeficiente de permeabilidad en tipos de suelos extremos es solo una cuestin de magnitud.Permeabilidad de un suelo es la capacidad del mismo para permitir el flujo de un fluido, lquido o gas, a travs 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 mtodo de cabeza constante y el de cabeza variable.PALABRAS CLAVEPERMEABILIDAD DENSIDAD HUMEDAD SUELO CABEZA CONSTANTE CABEZA VARIABLE CONDUCTIVIDAD HIDRULICA.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.INTRODUCCIONEste mtodo de ensayo proporciona procedimientos para determinar la conductividad hidrulica (permeabilidad al agua)de los suelos en trminosde permitividad bajo condiciones de ensayo estandarizadas.La permeabilidad en los suelos se ve afectada por diversos factores inherentes al suelo como a caractersticas del agua circulante, los factores principales son: la relacin de vacios del suelo, la temperatura del agua, la estructura y estratificacin 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 mtodos de cabeza constante y variable para el flujo laminar de agua a travs de suelos granulares, realizado segn el procedimiento de la norma E-130 de INVIAS.1. Demostrar si la muestra tiene un ndice de permeabilidad que cumple con los estndares permitidos segn la literatura.METODO DE CABEZA VARIABLEASPECTOS GENERALESEste ensayo es un mtodo 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 mnimo. Especmenes secos se preparan segn lo indica el ensayo de permeabilidad de carga constante. Debern determinarse las propiedades ndices del suelo. Se deber garantizar que la muestra se encuentre con una saturacin del 100%.MATERIALES Y METODOLOGAMATERIALES: Permemetro, para medir la permeabilidad se conoce como permemetro activo. Piedras porosas, solamente permiten el paso del agua adems de permitir una distribucin uniforme del liquido al interior de la muestra. Probeta, para recolectar el agua que es expulsada de la cmara en donde se encuentra contenida la muestra. Contenedor proctor estndar, 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 alimentacin. Termmetro, para tomar la temperatura del agua expulsada de la muestra por efectos de permeabilidad. Cronmetro, para tomar el tiempo de paso de la cabeza de agua por las mascar de altura respectivas. Balanza, para conocer las caractersticas de la muestra Artculos miscelneosMETODOLOGIA Se trabaj con una muestra de peso seco promedio de 500g, para la cual despus de ser lavada por el T200 se obtuvo un peso seco de 467g. Se determinan las propiedades ndices del suelo en una sesin previa a la del ensayo y los resultados obtenidos sern necesarios para nuestras conclusiones. Para determinar la compactacin de la muestra se sigui el ensayo normal de compactacin descrito en la norma INV-141; para la cual tuvimos en cuenta los siguientes parmetros:Condiciones de compactacin:Dimetro de la muestra (igual a la del molde) = 10,16 cmAltura de la muestra = 11,65 cmPeso del molde + muestra compactada = 3834 grPeso del molde = 2010 grEn el molde utilizamos 3 capas compactadas con 25 golpes cada una.Peso del martillo = 5,5 lbAltura de cada = 12 pulg Para este ensayo se estableci una altura del tubo capilar de 2m. Una vez preparada la muestra y el equipo se midi el tiempo de descenso capilar para alturas de 189.7, 180, 170.3, 145, 134.1 y 90 cm.RESULTADOS Y DISCUSIN Descripcin de la muestra:Es una grava arenosa con contenido de arcilla habana amarillenta contenida dentro de un molde de proctor estndar hasta copar la totalidad de su volumen.El suelo tiene un Gs = 2.6 Humedad natural:P1: Peso de la muestra hmeda ms recipiente = 292.2gP2: Peso de la muestra seca ms recipiente = 268.5gP3: Peso del recipiente = 36.3g[pic][pic] PermeabilidadEn 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 dimetro del tubo alimentador, pero lo ms comn es utilizarlo con los suelos finos poco permeables.En nuestro caso usaremos ste mtodo 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: rea transversal de tubo capilarA: rea transversal de la muestraL: Longitud de la muestrah0: Altura del tubo capilar ht: Altura de lecturat: TiempoK: PermeabilidadA continuacin se encuentran los valores obtenidos en el laboratorio para ste ensayo.|A (cm) |88.247 ||L (cm) |11,56 ||a (cm) |0,8 |Tabla 1. Geometra de la muestraPara determinar los valores de permeabilidad aplicamos la ecuacin (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 mlEn la siguiente grfica se encuentra la relacin obtenida entre la permeabilidad y el tiempo.[pic]Grfica 1. Relacin Permeabilidad Vs TiempoEn la grfica 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 CONSTANTEASPECTOS GENERALESEl mtodo de carga constante. Ofrece el mtodo ms simple para determinar el coeficiente de permeabilidad de ese suelo. Una muestra de suelo de rea transversal A y longitud L conocidas, confinadas en un tubo, se somete a una carga hidrulica h. El agua fluye a travs de la muestra, midindose la cantidad (en cm3) que pasa en un tiempo t. El gradiente hidrulico 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.METODOLOGASe ensaya un tipo de material en 3 probetas distintas, las cuales estn cubiertas en la parte superior en inferior por elementos porosos. Se llevan las 3 muestras a un grado de saturacin 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 as medir el caudal que se genera y asi poder aplicar la formula de permeabilidad.[pic] (2)Donde:Q: CaudalL: Longitud de la muestraH: Altura del tanqueA: rea transversal de la muestraRESULTADOS Y DISCUSIN Descripcin de la muestra:Es una grava arenosa con contenido de arcilla habana amarillenta contenida dentro de un molde de proctor estndar 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 centmetros de 24.5, 23.5 y 23 respectivamente.* El dimetro de cada probeta es de 7,4 cm, por lo que el rea de las probetas es de 43,01 cm.* 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 |Piezmetro |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 volmenes 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 (cm/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 probetasEl 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 presin (m)he= Carga por altura (m)ht= Carga total (m)La carga Total en un suelo se define como:Ht= Hp+HePara cada uno de las probetas se tiene la altura del tanque h(ml), por lo tanto sumando las presiones para cada uno de lo piezmetrosubicados 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 geomtrica para cada probeta|Piezmetro |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 presin y carga total para cada probeta La siguiente grfica muestra los valores de Ht para cada una de las muestras.[pic]Grafica 2. Variacin de la carga total para las 3 muestrasAnalizando la grfica 2 se observa que a mayor carga geomtrica, la carga total tambin aumenta en ste caso para el piezmetro 1, mientras que He disminuye.CONCLUSIONESMETODO DE CABEZA VARIABLE1. La permeabilidad de la muestra de suelo para el mtodo de cabeza variable es de 1.8 x 10-4 cm/s.2. La permeabilidad del suelo segn el Soil Conservation Service de los EEUU es moderadamente lenta al encontrarse en el rango 0.5cm/h < K < 2 cm/h.3. Basndonos 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 VARIABLE4. La permeabilidad mas alta de las muestras, en centmetros por segundo fue la de la probeta N1 = 0,0074.5. Las tres probetas se encuentran dentro del rango de 10 y 104 (dato suministrado por el profesor) por lo que se determina que tienen un buen drenaje.6. El gradiente hidrulico es una funcin inversa de la permeabilidad. Materiales de alta permeabilidad presentan gradientes hidrulicos muy bajos.REFERENCIAST.W. Lambe y R.V. Whitman - Mecnica 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 Ingeniera Civil, Universidad Nacional de Colombia[2] Estudiante Ingeniera Civil, Universidad Nacional de Colombia[3] Estudiante Ingeniera Civil, Universidad Nacional de Colombia[4] Estudiante Ingeniera Civil, Universidad Nacional de Colombia