mecanica de suelosii

1. GUIA DE LABORATORIO
I. PERMEABILIDAD DE UN SUELO
Generalidades
El coeficiente de permeabilidad es una constante de proporcionalidad relacionada con la
facilidad de movimiento de un flujo a través de un medio poroso. Existen dos métodos
generales de laboratorio para determinar directamente el coeficiente de permeabilidad de un
suelo. Estos son los llamados método de la cabeza constante y el método de la cabeza variable.
Ambos métodos se basan en la ley de Darcy
Ni el ensayo de cabeza constante ni el de cabeza variable permiten obtener valores del
coeficiente de permeabilidad de un suelo demasiado confiables. Existen muchas razones para
esto, pero las principales son las siguientes:
1. El suelo que se utiliza en el aparato de permeabilidad nunca es igual al suelo que se
tiene en el terreno (siempre esta algo alterado)
2. La orientación in situ de los estratos con respecto al flujo de agua es probablemente
diferente en laboratorio.
3. Las condiciones de frontera son diferentes en el laboratorio. Las paredes lisas del
molde de permeabilidad mejoran los caminos del flujo con respecto a los caminos
naturales en el terreno. Si el suelo tiene estratificación vertical, el flujo en los diferentes
estratos será diferente, y esta condición de frontera es casi imposible de reproducir en
el laboratorio.
4. La carga hidráulica ∆h puede ser diferente (a menudo mucho mayor) en el laboratorio,
lo cual causa el lavado de material fino hacia las fronteras con una posible reducción
en el valor de k. Los gradientes hidráulicos obtenidos en el terreno (i = h/L) varían
entre 0.5 y 1.5, mientras que en el laboratorio suelen ser 5 o más. Existe evidencia
obtenida en diferentes investigaciones que hace pensar que v = k i no es una relación
lineal para todos los valores de i, especialmente para valores grandes (Mitchell y
Younger (1967)). Por otra parte existe también evidencia de que suelos finos (arcillas),
puede existir un gradiente umbral por debajo del cual no hay flujo. (Terzaghi (1925)).
5. El efecto del aire atrapado en la muestra de laboratorio es grande aun para pequeñas
burbujas de aire debido al tamaño tan pequeño de la muestra.
Definiciones
Ley de Darcy.
v = k ⋅i
y la velocidad correspondiente del flujo es:

2. q = k ⋅i⋅ A
donde: q = cantidad de flujo por unidad de tiempo k =
coeficiente de permeabilidad (unidades de velocidad) i =
gradiente hidráulico = ∆h/L
∆h = carga hidráulica a lo largo de la muestra
L = Longitud de la muestra a través de la cual se mide h
A = área de la sección transversal de la masa en consideración
El coeficiente de permeabilidad de una masa de suelo homogénea, isotropita depende
principalmente de los siguientes factores:
1. 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 º 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:
k
20
donde ηT y η20, son las viscosidades de los fluidos a la temperatura T del ensayo y a 20
º C, respectivamente. Es posible utilizar la viscosidad absoluta o la viscosidad
cinemática del fluido en la ecuación anterior.

3. 2. La relación de vacíos e del suelo. Se han hecho varios intentos para correlacionar el
coeficiente de permeabilidad del suelo a una relación de vacíos dada con el mismo
suelo a diferente relación de vacíos [k = f (e)].
3. El tamaño y forma de los granos de suelo. Allan Hazen estudio el uso de arenas en
filtros para obras hidráulicas y concluyo que para arenas limpias y gravas el coeficiente
de permeabilidad puede expresarse aproximadamente como:
k = 100⋅ D10
2
cm/s
para un rango de D entre 0.1 < D10 < 3.0 mm. El D10 que se utiliza es el diámetro
correspondiente al 10 % mas fino en tamaño de la muestra obtenido de la curva de
distribución granulométrica y expresado en cm.
La presencia de partículas angulares y laminares tienden a reducir k mas que cuando
el suelo esta compuesto predominantemente por partículas redondeadas y esféricas.
4. El grado de saturación. A medida que aumenta el grado de saturación, el coeficiente de
permeabilidad aparente también se incrementa. En parte este aumento se debe a la
distribución en la tensión superficial. El origen del resto del aumento se desconoce,
pues es difícil determinar k a menos que se considere continuidad de flujo a través del
medio. El flujo a través del medio poroso puede obtenerse únicamente considerando
la cantidad que entra y sale de la masa de suelos. Como caso extremo, seria posible,
en un suelo seco, tener un flujo considerable hacia la muestra sin tener flujo de salida.
El calculo de k daría k = 0 lo cual evidentemente es incorrecto. Las muestras usadas
en laboratorio generalmente se saturan para evitar este problema, aunque recientes
investigaciones se ha tenido en cuenta condiciones donde S < 100 %.
Equipo
• Aparato de permeabilidad
• Cronometro
• Termómetro
• Cilindro graduado
• Vara pequeña de madera graduada
Procedimiento
1. Pesar el recipiente de material (granular) que será utilizado en el experimento.
2. Armar el aparato de permeabilidad hasta donde se necesite para colocar el suelo para el
ensayo. Determinar el volumen del molde.
3. A partir de la densidad natural especificada calcular el peso total de suelo a utilizar y
compactar el suelo en 3 capas iguales utilizando la vara de madera graduada.

4. 4. Armar el aparato. Orientar las tuberías de entrada y salida convenientemente para la
recolección de agua y saturación y drenaje iniciales.
5. Conectar la entrada del agua al recipiente de suministro. A continuación dejar saturar
lentamente la muestra (por observación visual) y estabilizar la condición de flujo
permitiendo que fluya agua por un tiempo. a continuación cerrar la válvula de entrada y
salida.
6. Utilizar un recipiente de 500 o 1000 ml (mayor si es posible) para recibir el agua a la salida
del permeámetro. Registrar el tiempo necesario para almacenar entre 750 y 900 ml de agua.
Registrar también la temperatura del agua y repetir dos o tres veces mediciones similares
adicionales utilizando un tiempo constante (t = constante). La cantidad de agua recogida
en ensayos sucesivos es decreciente; esto debe considerarse en la discusión del informe.
7. Calcular el coeficiente de permeabilidad k utilizando la ley de Darcy y promediando los
resultados obtenidos. Expresar los resultados en cm/s.
Preguntas
1. ¿La disminución en la cantidad de agua que fluye a través de la muestra en cada repetición
sucesiva, se debe a la formación de una barrera en el filtro por acumulación de finos, o a
la salida de aire en solución en el agua?
2. ¿Qué puede hacerse para producir una condición de Q = constante?
3. Discutir los cambios que puedan hacerse para mejorar desde su punto de vista este
experimento práctico.
4. UD desea construir una cancha de tenis en el patio de su casa (cancha de arcilla). Aplicando
los conocimientos adquiridos en el curso ¿Con qué material y de qué manera diseñaría la
red de drenaje de la cancha?
Bibliografía
1. Bowles Joseph E. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. Biblioteca IDIEM.