Medida de permeabilidad en suelos

Medida de permeabilidad en suelos
• Suelos saturados
– Cond. Estacionarias (gradiente constante)
– Cond. No Estacionarias (carga variable)
– Métodos indirectos
• Suelos no saturados
– Cond. Estacionarias
– Cond. No estacionarias
Ensayos en condiciones
estacionarias
∇h
Q = AK∇h
Q
Permeámetro de carga constante
Gradiente menor que gradiente crítico
Ensayo típico en suelos granulares
(k> 10-4 cm/s)
90
80
Caudal (cm3/s)
70
60
50
KA
40
30
20
10
0
0
0.2
0.4
0.6
Gradiente
0.8
1
Ensayos estacionarios:
confinamiento en célula Rowe
Ensayos estacionarios: confinamiento en
triaxial
Célula de carga
Piedra porosa
Muestra
Cámara de confinamiento
Membrana
Pedestal
Transductor de
presión de poros
Pistón
Llave de paso
Conductos de
agua
Controlador de presión de
cámara (GDS)
Colector de agua
Dirección del flujo
Controlador de volumen y de
presión de cola (GDS)
Ensayos estacionarios: suelos poco permeables
• Arcillas expansivas
(Villar,2000)
VOLUME CHANGE
APPARATUS
DATA ACQUISITION
SYSTEM
PERMEABILITY
CELL
MERCURY PRESSURE
SYSTEM
Sample
23 bar
Hydration
circuit
Porous
stone
PISTON PUMP
∆V
kw =
A × ∆t × ∇h
Ensayos estacionarios: suelos poco permeables
1.E-06
Bentonita compactada
Celda volumen constante
1E-12
1.E-07
ksat (m/s)
Permeabilidad al agua (m/s)
1E-11
1E-13
1.E-08
Residuo minero
En cámara triaxial
1.E-09
1E-14
A a)
1.E-10
1E-15
1.2
1.0
1.4
1.6
1.8
3
Densidad seca (g/cm )
Efecto
Efecto de
de la
la densidad
densidad
2.0
3.0
Indice de poros
4.0
Ensayos estacionarios: suelos poco permeables
35
30
1.34
25
1.39
1.36
-6
3
Flow rate (10 cm /s)
1.30
20
1.39
1.44
15
1.49
1.43
10
1.50
5
0
0
10000
20000
Hydraulic gradient (cm/cm)
Efecto
Efecto del
del gradiente
gradiente
30000
Ensayos con gradientes pequeños
Hydraulic Conductivity (m/s)
1E-11
k = Qst / (F·∆H )
9
8
7
6
5
4E-12
Qst(m3/s ) = 4.13·10 -13· ∇h (r 2= 0.996)
5
Constant Head Tests
3
(m 3 /s )
1E-11
Q st
2
5
3
2
1E-12
1
2
3
5
10
Gradient
2
3
5
100
Ensayos en condiciones no
estacionarias: carga variable
Q ( t ) = A K ∇h ( t )
h(t)
Q(t)
Ensayos en condiciones no
estacionarias: carga variable
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
h0/h(t)
0.5
0.4
r= 100.0 kg/cm2 U= 970 lm no= 0.3
Kw= 1.82 10-7 cm/s
0.3
0.2
0.1
0
4000
8000
Tiempo (s)
12000
Agregados de sal compactados
Métodos indirectos
• Ensayo edométrico
Ensayo edométrico S2M5-2. Profundidad=33.5 m
Deformaciones verticales
-0.03
Tensión vertical
kp/cm2
0.5
-0.04
-0.05
-0.06
-0.07
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
Tiempo (s)
1E+03
1E+04
1E+05
Retroanálisis de ensayos
edométricos
modelo teórico:
2 ∆σ U ( t )
δ = δ0+
+ 2 HCα (log( t ) − log( t 0))
Em
0.85 H 2
t 0 = t 90 =
cv
ct
U (t ) = U  v 2 
H 
Donde δ es el desplazamiento que presenta en un tiempo t, una pastilla de suelo de
espesor 2H drenada por ambos extremos.
Los valores de δ0 (deformación instantánea debida al equipo), cv, Em y Cα se
obtienen, en cada caso, de forma que sean los que hacen mínima la suma de los
cuadrados de las diferencias entre las deformaciones medidas en el laboratorio y las
deformaciones predichas por el modelo cuando se utilizan dichos parámetros. El
valor de la permeabilidad se obtiene a través del coeficiente de consolidación cv y
Em.
Retroanálisis de ensayos
edométricos
ENSAYO EDOMETRICO : Muestra S1.2/5
2
Escalón 5.0 - 9.0 Kg/cm
Cα= 1.58 10-3 c = 1.62 10-3 cm2/s E = 330 Kg/cm2
v
m
Permeabilidad (cm/s)
K= 4.91 10-9 cm/s δ0= 209 µm error med.= 1.8 µm
0.0E+00
25
200
2.0E-09
4.0E-09
6.0E-09
8.0E-09
1.0E-08
1.2E-08
300
estimado
Profundidad (m)
DEFORMACION (micras)
30
medido
400
35
40
45
500
50
55
600
1
2
3 4 5 6 789
10
2
3 4 5 6 789
100
2
3 4 5 6 789
1000
TIEMPO (seg.)
2
3 4 5 6 789
10000
2
3 4 5 6 789
100000
S1.1: carga de 2 a 5 kg/cm2
S3.1: carga de 2 a 5 kg/cm2
S4.1: carga de 2 a 5 kg/cm2
S1.1: carga de 5 a 9 kg/cm2
S3.1: carga de 5 a 9 kg/cm2
S4.1: carga de 5 a 9 kg/cm2
Retroanálisis de ensayos de pulso
Electric valve
Pressure system
produces the pulse
Cell
Output tube (closed valve)
PC acqusition
and control
Soil and
sensor
stainless
steel
Soil
Permeable
mat
Pressure system:
maintains the
prescribed pressure
Retroanálisis de ensayos de pulso
1.1
0.9
Pulse 2
0.7
Pulse 3
0.5
Pulse 4
0.3
0.1
-0.1
1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4
Time (seconds)
ε=
pt − p final
pm − p final
Water Pressure (kPa)
ε
820
Pulse 1
Water pressure
800
Measurements
780
FEM
760
740
720
700
1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4
Time (seconds)
Ensayos en suelos no saturados: flujo estacionario
Ensayos en suelos no saturados: flujo
estacionario
Ensayos en suelos no saturados:
cambio de succión en edómetro
Filtro
Filtro
poroso
poroso
Disco
Discocerámico
cerámico
AVEA
(1.5
AVEA (1.5MPa)
MPa)
eliminación
eliminación
de
deburbujas
burbujas
de
aire
de aire
σσv
v
uua
a
uu
w
w
Ensayos en suelos no saturados:
cambio de succión en edómetro
1.E-10
1.00
e=1.70
Mod. Van Genuchten
Primer secado
Mojado
Segundo secado
3
0.80
1.E-11
3
16.7 kN/m
0.60
knosat (m/s)
Relative water permeability, k / kw
13.7 kN/m
0.40
0.20
1.E-12
1.E-13
e=1.56
0.00
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
Effective saturationratio, S e
1.00
B b)
1.E-14
0.4
0.6
0.8
Grado de saturación
1
Ensayos en suelos no saturados: Retroanálisis de
ensayos de infiltración
ql = −
k k rl
µl
Ajuste
Ajusteensayos
ensayosde
de
infiltración
infiltraciónen
en
columnas
columnas
(∇Pl − ρ l g )
1
w(z,t)
26
0.95
24
Water content (%)
Degree of saturation
I(t)
0.9
0.85
0.8
0.75
22
20
18
16
14
0.7
0
2
4
6
Distance to hydration end (cm)
measured at 5 days
Estimated at 5 days
60 days
60 days
krl= Sr 4,64
8
12
2
3
4
5
6
Distance to granite contact (cm)
Measured at t= 1 day
Measured at t= 2 days
Measured at t= 7 days
Estimated
krl= Sr 3,50