Tema 5: Permeabilidad de los suelos.

Expresin de la Ley de Darcy (fuente: www.arqhys.com)Tema 5: Permeabilidad de los suelos.

5.1. Concepto de permeabilidad.Definimos permeabilidad como la capacidad de un cuerpo (en trminos particulares, un suelo) para permitir en su seno el paso de un fluido (en trminos particulares, el agua) sinque dicho trnsitoalterela estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina objetivamente mediante la imposicin de un gradiente hidrulico en una seccin del cuerpo, y a lo largo de una trayectoria determinada.El concepto permeabilidad puede recibir tambin las acepciones de conductividad o transmisividad hidrulica, dependiendo del contexto en el cual sea empleado.La permeabilidad se cuantifica en base al coeficiente de permeabilidad, definido como la velocidad de traslacin del agua en el seno del terreno y para un gradiente unitario. El coeficiente de permeabilidad puede ser expresado segn la siguiente funcin:k = Q / I ADonde- k: coeficiente de permeabilidad o conductividad hidrulica [m/s]- Q: caudal [m3/s]- I: gradiente [m/m]- A: seccin [m2)]En proyectos de ingeniera y arquitectura, las unidades con las que se expresa generalmente el coeficiente de permeabilidad son cm/s y m/s; enlos mbitosde la hidrulica o la hidrogeologa es habitual observar notaciones como cm/dia, m/ao y similares.Son diversos los factores que determinan la permeabilidad del suelo, entre los cuales, los ms significativos son los siguientes:- Granulometra (tamao de grano y distribucin granulomtrica.)- Composicin qumica del material (naturaleza mineralgica)Como regla general podemos considerar que a menor tamao de grano, menor permeabilidad, y para una granulometra semejante (arenas, por ejemplo) a mejor gradacin, mayor permeabilidad. En cuanto al quimismo, y para el caso de arcillas y limos, la presencia de ciertos cationes (Sodio, Potasio) es un factor que disminuye la permeabilidad en relacin a otros (Calcio, Magnesio).A efectos nicamente indicativos, elDB SE-Cpropone los siguientes rangos de variacin para la permeabilidad en funcin del tipo de terreno (tabla D28):

valores orientativos del coeficiente de permeabilidad, DB SE-Ckz: coeficiente de permeabilidad vertical (se asume que la anisotropa de los suelos, especialmente de las arcillas estratificadas, puede comportar variaciones significativas en la magnitud del coeficiente de permeabilidad medido en el plano horizontal.)5.2. Medida de la permeabilidad: ensayos de laboratorio y ensayos in situLa estimacin de la permeabilidad en suelos tiene diversos intereses, algunos directos en el proyecto de una edificacin, como puede ser la valoracin de la influencia de las aguas subterrneas sobre construcciones soterradas (plantas stano, por ejemplo) a efectos de diseo de sistemas o procedimientos de impermeabilizacin o drenaje.En tal sentido, el Cdigo Tcnico de la Edificacin en su documento bsico dedicado a la salubridad(DB HS) requiere de la valoracin cuantificada de la permeabilidad del terreno en contacto conlas soleras y las estructuras de contencin.La estimacin de la permeabilidad de los suelos (y en su caso, del macizo rocoso) puede realizarse mediantetres clases de procedimientos:- Valoracin de la permeabilidad mediante relaciones empricas establecidas entre lamisma y alguna caracterstica del suelo,generalmente su granulometra.- Medida directa de la permeabilidad sobre una muestra adecuada (inalterada) en laboratorio.-Estimacin directa de la permeabilidad in situ, realizada durante la ejecucin de sondeos o pozos, consistentes en la medida de las prdidas en una columna de agua con la que se ha inundado la perforacin.De entre los ensayos in situ, los mtodos que se citangeneralmente corresponden a los ensayos Lugeon (habitualmente realizado en macizos rocosos fracturados),Lefranc (llevado a cabo generalmente en suelos relativamente permeables) y Slug Test (tambin en suelos permeables.)Para el caso de suelos poco permeables, los ensayos in situ son poco adecuados, requirindose la toma de muestras y la realizacin de ensayos en laboratorio sobre las mismas. Segn el objeto de la investigacin puede escogerse entre ensayar muestras adecuadamente inalteradas (si es posible su obtencin), orepresentativas, las cuales se recompactan en el laboratorio para obtener probetas que reproduzcan las condiciones del terreno.Una vez confeccionada la probeta a ensayar, el material se satura y se induce a travs del mismo un flujo, cuyo caudal es medido en condiciones preestablecidas.Los mtodos habituales de laboratorio son los siguientes:-Sobre muestras inalteradas o recompactadas: ensayo en clula triaxial, con presin en cola, bajo carga constante o variable (se trata del ensayo ms adecuado para suelos de muy baja permeabilidad.)-Sobre muestras recompactadas: Ensayo en permemetro de clula estanca bajo carga constante (generalmente en suelos de permeabilidad alta). Ensayo en permemetro de clula estanca bajo carga variable (apto para suelos de permeabilidad media a baja).Los ensayos de carga constante consisten en el mantenimiento del gradiente hidrulico, determinando el caudal necesario para que dicha carga hidrulica se mantenga constante. En los ensayos de carga variable, en cambio, se inicia el procesobajo un gradiente determinado, y se observa la variacin del mismo con el tiempo.

LEY DE DARCY Y EL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD.Basandose en sus trabajos sobre la mecnica de fluidos, el ingeniero francs Henry Darcy (1803-1858) descubri que existe una relacin entre la cantidad de agua que fluye a travs de una superficie, el rea de esta superficie y el gradiente hidrulico (ver figura 2.5).

Como resumen de sus trabajos se puede expresar la "ley de Darcy" en la forma:

Por definicin la determinacin de k slo es posible para un rgimen de flujo laminar pero no para un rgimen de flujo turbulento.Algunos ejemplos para los rangos del coeficiente de permeabilidad k (en m/s) para distintos tipos de suelo no consolidados se muestra la Tabla 2.2.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS.La permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes tanto al suelo como a caractersticas del fluido circulante. Los principales son: Las fuerzas de superficie. La porosidad. La tortuosidad de los vacos del suelo. La relacin de vacos del suelo. La temperatura del fluido y suelo. La viscosidad del fluido en movimiento. La estructuracin del suelo. La humedad del suelo.

Las fuerzas de superficie de los granos determinan principalmente la fuerza de atraccin entre las molculas del fluido y las partculas de suelo; este fenmeno determina en gran medida la velocidad de humectacin de un suelo, la porosidad y la relacin de vacos, que son los principales parmetros con los que se ha relacionado el valor de la permeabilidad en las expresiones existentes para su determinacin. Se piensa que la cantidad de vacos que tenga un suelo determinara en gran parte el valor de su permeabilidad, sin embargo, la tortuosidad de los canales es un elemento importante, ya que un fluido circula con mayor rapidez por un canal uniforme que por uno que presente una alta tortuosidad, a pesar de que su tamao o vacos sean los mismos.

Las caractersticas del fluido tambin influyen sobre el valor de la permeabilidad, por ejemplo: la permeabilidad que puede tener una sosa liquida con respecto al agua destilada, dista de ser igual, en este caso la viscosidad de la sosa determina en gran medida su comportamiento en el suelo, haciendo mas lenta su forma de fluir. La temperatura del fluido se relaciona directamente con su viscosidad.

La permeabilidad tambin puede variar por la estructuracin del suelo; la estratificacin ocasiona que los valores de su permeabilidad sean diferentes en cada estrato, incluso si se trata del mismo suelo con diferente grado de compactacin o humedad, la permeabilidad seguramente ser diferente.

MTODOS DE MEDICIN DE LA PERMEABILIDAD.Existen varios procedimientos para la determinacin de la permeabilidad de los suelos, los podemos dividir bsicamente en dos grupos: los directos, por que se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medicin del coeficiente de permeabilidad, y otros indirectos, ya que proporcionan el valor del coeficiente de permeabilidad en forma secundaria, es decir, por medio de pruebas y tcnicas diseadas para otros fines. Los mtodos son los siguientes:a) Directos: Permemetro de carga constante. Permemetro de carga variable. Prueba directa en los suelos en el lugar.b) Indirectos: Clculo a partir de la curva granulomtrica. Clculo a partir de la prueba de consolidacin. Clculo con la prueba horizontal de capilaridad.El uso del permemetro de carga constante ofrece el mtodo ms simple para determinar el coeficiente de permeabilidad de un suelo y se recomienda ser utilizado en suelos poco permeables; pueden ser usado por ejemplo: en limos o arenas medianamente cementadas.El permemetro de carga variable puede se usado para determinar el coeficiente de permeabilidad en suelos finos y gruesos, el principio bsico es el mismo en ambos mtodos, solo con la diferencia de la aplicacin de las formulas para obtener los resultados, ya que en el permemetro de carga variable se utiliza un volumen determinado de liquido, haciendo intervenir la diferencia de alturas del tubo alimentador.Las pruebas directas en campo consisten bsicamente en la berrenacin de pozos sobre el terreno que se desea conocer su permeabilidad; este tipo de pruebas son muy usadas en la hidrulica de captaciones, proporcionando un valor de la permeabilidad media del estrato en estudio. Los mtodos existentes para este tipo de pruebas fundamentan su teora en la observacin de los abatimientos del lquido en el pozo en un tiempo determinado, el abatimiento puede ser por bombeo en estratos abajo del nivel fretico o por infiltracin del lquido en suelos no saturados.La Tabla 2.3 muestra las normas ASTM para pruebas de permeabilidad en campo y en laboratorio.

La permeabilidad obedece a la variacin de diversos factores, que no solo dependen del la estructura del suelo; en la prctica se ha tratado de establecer una correlacin entre la granulometra de un material y sta, siendo muy limitadas las relaciones.Diversos autores como Hazen, Slichter y Terzagui, han propuesto frmulas que relacionan la permeabilidad con la estructura del suelo.La ecuacin de Hazen, por ejemplo: utiliza el D10 como el dimetro que relaciona el tamao de las partculas con la permeabilidad. Esta relacin supone que la distribucin de tamaos es suficientemente extensa para evitar que las partculas mas pequeas sean arrastradas por la fuerza de filtracin del lquido, es decir el suelo debe poseer estabilidad hidrodinmica. Los suelos gruesos uniformes que contienen finos no suelen presentar tal estabilidad.Hazen experiment con arenas uniformes con dimetro efectivo comprendido entre 0.1 y 3 mm. Slichter tom en cuenta, adems del D10, la temperatura del agua y un coeficiente C que depende de la porosidad n del suelo para calcular el coeficiente de permeabilidad k. Terzaghi, para suelos arenosos, propuso hacer intervenir la porosidad del medio granular n, pero adems hace intervenir la forma de los granos en las arenas y la presencia de limos.La expresin propuesta por Koseny Carman tiene relevancia porque adems de hacer intervenir la relacin de vacos del suelo y el dimetro representativo de sus partculas, toma en cuenta el peso volumtrico del fluido y su viscosidad