PRUEBAS DE PERMEABILIDAD DE CAMPO

INTRODUCCIÓN

Antes de la construcción de una estructura de tierra, es importante verificar que las propiedades del suelo de la cimentación, sean las indicadas para garantizar la estabilidad y funcionamiento adecuado de la obra. En algunos casos, dichas propiedades pueden obtenerse en el laboratorio a partir de muestras inalteradas; sin embargo, es frecuente que, al no poder obtener muestras inalteradas o suficientemente representativas, se tenga que recurrir a pruebas de campo para el mismo fin. Las pruebas de campo tienen que adaptarse a las particularidades de cada obra y, en general, no es posible ni deseable establecer un procedimiento estándar para su ejecución.

PRUEBAS DE PERMEABILIDAD DE CAMPO

Las pruebas de permeabilidad de laboratorio son útiles cuando la estructura que se forma está formada por un material que puede considerarse homogéneo, isótropo, o anisótropo, como en el caso del corazón impermeable de una cortina, construido con la tierra de un banco de préstamo homogéneo. En cambio, en las formaciones naturales, generalmente compuestas por mantos distintos, con variaciones importantes tanto en la disposición de los mismos como en las características de los materiales, es difícil estudiar el escurrimiento a partir de un número limitado de ensayes sobre muestras inalteradas. En mantos de arena y grava es casi imposible obtener especimenes inalterados. En estos casos es necesario recurrir a las pruebas de campo.

El tipo de prueba de permeabilidad útil en cada caso particular depende de numerosos factores, tales como tipo de material, localización del nivel freático y homogeneidad o heterogeneidad de los distintos estratos del suelo, en cuanto a permeabilidad se refiere.

En la tabla siguiente, tomando en cuenta ciertas características del problema bajo estudio, se expone la aplicabilidad de los diversos tipos de pruebas de permeabilidad a los suelos aluviales típicos de las boquillas de presas.

Cada tipo de prueba se analiza con métodos de cálculo más o menos elaborados; sin embargo, los resultados obtenidos de los diferentes métodos de interpretación, propios a cada prueba, son semejantes; debe prestarse especial atención a la forma en que se lleva a cabo el ensaye, ya que, dependiendo de los procedimientos utilizados, los resultados pueden variar de forma significativa.

Además de las pruebas de permeabilidad mencionadas en la tabla anterior, se presenta la prueba de permeabilidad Lugeon, generalmente usada para masas rocosas.

INSTRUCCIONES GENERALES PARA LA EJECUCIÓN DE PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC

INTRODUCCIÓN

Debido al gran desarrollo que últimamente ha tenido en nuestro país la construcción de cortinas cimentadas sobre terrenos de aluvión, es de gran importancia investigar la permeabilidad de dichos terrenos, sobre todo teniendo en cuenta que no son formaciones homogéneas, sin, que, por el contrario, frecuentemente presentan una heterogeneidad bien marcada, sobre todo en sentido vertical.

En estas condiciones puede ser conveniente investigar la permeabilidad horizontal en diferentes horizontes, como dato adicional al de obtener el coeficiente de permeabilidad medio, por los métodos convencionales de bombeo a través de un pozo central.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS

La prueba se ejecutará en una perforación expresamente hecha para el efecto, en que su extremo interior estará dotada de una cámara filtrante.

La prueba podrá hacerse a flujo constante, sea por bombeo o por inyección de un gasto constante; o en flujo variable por ascenso o descenso de la superficie del agua dentro de la perforación. En ambos casos es recomendable que la carga de prueba se limite a valores del orden de los 5 a los 10 metros. Como máximo.

Para el primer caso, si se denomina por H la diferencia de carga total correspondiente al gasto Q, la permeabilidad estará dada por:

K = C (Q/H) …………………..(1)

En donde C es un coeficiente que depende de las dimensiones y forma de la cámara de filtrante, que para efectos de esta prueba se considerará como un elipsoide de revolución con el eje corto igual con D y una distancia focal F.

K en m/seg

C en 1/m = m-¹

Q en m3 / seg

H en metros

Con objeto de comprobar que las dimensiones son normales se harán ensayos con gastos mayores y menores que el de prueba y los valores Q, H se llevarán a una gráfica a escala natural, en donde, si el ensayo es correcto, y el flujo laminar, deberán quedar alineados a lo largo de una recta pasando por el origen.

Cuando el tramo de prueba se encuentre en la cercanía al fondo impermeable o a la superficie del manto freático, al coeficiente C debe hacérsele una corrección mediante el aumento de valor..

Cuando el terreno sea poco permeable, podrá usarse el segundo caso, de flujo variable, cuyos elementos son:

D = diámetro de la tubería en metros

L = longitud de la cámara filtrante en metros.

Ho = distancia del punto medio de la cámara filtrante al manto impermeable

H1 = carga en el instante t1

H2 = carga en el instante t2

A= área efectiva de la sección transversal de la tubería de prueba m²

(t1 y t2 tiempos correspondientes a H1 y H2)

Para este caso:

C tiene el mismo significado que para el caso 1, obteniéndose los valores correspondientes usando las gráficas de la figura 2 y 2á

Los diferentes puntos correspondientes a las medidas Hn, Tn deben alinearse sobre una gráfica log H,T.

Para el cálculo de K por medio de la fórmula (4) es preciso conocer la posición del nivel estático N. E. Del manto, contada generalmente a partir de la elevación de la boca del tubo.

El caso 2 puede efectuarse arriba del nivel estático del agua, en cuyo caso las cargas H´1 y H´2 se medirán a partir del punto medio de la cámara filtrante, la cual estará a una profundidad Zo, contada a partir de la boca del tubo.

Para valores

y z en metros, se llevarán en una gráfica que, en principio, deben alinearse a lo largo de una racta, que cortará el eje de las ordenadas (profundidades) en la elevación correspondiente a la del nivel estático del manto freático.

En el caso que la prueba se haga arriba del nivel estático, la recta cortará al eje de las ordenadas, a la elevación media de la cámara filtrante, dicha prueba siempre será bajada.

Condiciones generales que deben que deben satisfacer para que la prueba se considere aceptable:

La relación 1/d debe ser igual o mayor a 5.

El valor l es conveniente también limitarlo a 10 máximo, pero procurando que los valores usuales estén comprendido entre 1.0 y 5.0 metros.

Debe considerarse como no satisfactoria la prueba hecha a través del fondo del tubo solamente debido a la posibilidad de que el material suelto remonte la tubería, falseando los resultados, y a que el valor de k sería en sentido vertical, principalmente.

CAMARAS FILTRANTES

La cámara filtrante puede construirse por medio de un tramo de tubo ranurado, a partir del fondo de la perforación, el área de ranuración debiendo ser superior al 15 % del área filtrante.

Este caso es muy importante que se compruebe por medio de una sonda, que em la cámara filtrante no ha remontado material fino, limo o arena, que reduzca las dimensiones de la misma, pues entonces los datos finales serían falsos.

La cámara filtrante también podría formarse con grava gruesa no graduada rellenando el ramo inferior de tubería de ademe, la que sería izada posteriormente una longitud determinada. El relleno de grava deberá quedar a una cota superior a la del fondo del ademe, y estar constituido por granos comprendidos entre 1.5 y 2.5 cm.

En este caso, si se comprueba que la tubería de ademe ha quedado floja dentro de la perforación, y existe la posibilidad de flujo a través del espacio comprendido entre la superficie exterior del tubo y las paredes de perforación, y si además, el terreno estás saturado, deberá hacerse una prueba a base de bombeo. O de flujo variable ascendente.

En fin, la cámara filtrante puede quedar construida por un tramo de perforación, sin ademe, en caso de que no exista posibilidad de derrumbes y descompresiones del terreno que puedan falsear los valores correspondientes al terreno virgen.

Siempre que sea posible, debe preferirse la prueba a base de bombeo a flujo variable, ascendente, con objeto de evitar la posibilidad de formar obturaciones al inyectar agua a presión, si esta última es muy grande.

Es conveniente que los valores de z1, z2, z´1 y z´2 se obtengan por medio de una sonda eléctrica introducida a través de un tubo de menor diámetro que el ademe, colocado ex profeso para el caso.

PRUEBAS LEFRANC

Ejemplos:

Caso num. 1. carga constante.

Datos:

D = 7.6 cm.

H1 = 1.5 m -Zo-- z1

Q = lt/seg - 0.0005 m³ / seg.

L = 1.00 metros.

Los valores que se toman en el campo son:

Zo en m. Profundidad del manto con respecto a la boca del tubo

Z1 en m. Profundidad del agua en el pozo, para un gasto Q constante.

Q en litros por segundo constante, durante 10 minutos.

Y de estos tres datos los que hay que tomar con cuidado son z1 y Q, pues es en los que se puede cometer errores con gran facilidad. Una forma de limitar las posibilidades de error es efectuar la prueba con este método solo para valores de Zo reducidos, digamos del orden de los 5.0 a los 10.0 metros como máximo.

En estas condiciones es posible medir la profundidad Z1 con una sonda eléctrica , a través de un tubo de menor diámetro que el ademe; y el agua con gasto Q, deslizarla por 4el espacio comprendido entre los dos tubos, y mantener el gasto constante durante 10 minutos.

ENSAYOS LEFRANC

Se entuba la perforación por tratarse de terrenos pulverulentos y la cavidad se abre bajo la zapata del revestimiento. Se conserva abierta gracias a la inyección de agua que se realiza a través de las toberas de un trépano pequeño que se mantiene fijo a una determinada profundidad.

La sobrecarga h de agua en la cavidad viene dada por la observación del nivel libre en el entubado y el caudal de inyección por la bajada del nivel del tanque.

De este modo se tienen todos los elementos necesarios para calcular K, salvo el coeficiente C de la cavidad para evaluar este es preciso hacer una hipótesis sobre la forma de la misma. Por consiguiente, la interpretación del ensayo solo puede suministrar un orden de magnitud bastante aproximado de las permeabilidades. En general es suficiente, ya que el coeficiente C varía poco con la forma de la cavidad.

Cuando la dimensión de los granos de las formaciones es demasiado grande para que el agua pueda formar una cavidad, es necesario recurrir a otro procedimiento.

Algunas veces se puede realizar con la herramienta de perforación con una cavidad de forma dada asegurando su mantenimiento durante el tiempo que dura el ensayo la propia cohesión del terreno. En este caso no hay que olvidarse de comprobar que no sufre ninguna modificación durante el tiempo que se realizan las medidas.

En particular, si se toma como cavidad el espacio en forma de disco que se crea en la base del entubado, es necesario que no ascienda por él nada de terreno. Si esto no se cumple rigurosamente, no existe ningún medio de evaluar correctamente el coeficiente a considerar, ya que la parte de formación que se introduce en el entubado, en general antes de comenzar el ensayo, se ha descomprimido con relación a la que queda en su sitio y su permeabilidad cambia.

Además, el cálculo demuestra que, cuando existe un terreno idéntico dentro y fuera del revestimiento basta con una pequeña subida para que la carga h que hay que sustituir en la fórmula sea una pequeña fracción de la sobrecarga aplicada. Por consiguiente, hay que evitar este tipo de cavidad.

Cuando es posible se mantiene el hueco abierto llenándolo con grava gruesa calibrada. Los vacíos de esta son lo suficientemente grandes para que el agua de inyección no pierda la carga por su causa.

Finalmente, se puede proveer el entubado de un elemento perforado debidamente calibrado.

Si los caudales inyectados son muy pequeños y no se puede conseguir una cavidad inyectando agua, la bomba resulta inútil, entonces se puede introducir el agua con un bidón de capacidad conocida que mantenga siempre un nivel constante en el entubado. O más sencillo aún, después de haber llenado el revestimiento de agua, se mide la velocidad de descenso de esta.

Como se ha visto, estos ensayos se pueden realizar de modo muy variado y conviene tomar diferentes valores de la sobrecarga para compensar los errores.

La experiencia de estas muestras demuestra que su simplicidad es solo aparente y es necesario que las efectúen e interpreten técnicos que sepan lo que hacen. Con las inyecciones de agua se corre el riesgo de provocar fracturas que permiten que se establezca fácilmente una corriente de agua alrededor del entubado o, por el contrario, que se obturen las formaciones. Incluso aunque las aguas estén perfectamente limpias, se puede producir esta colmatación por el desprendimiento del gas disuelto en el agua.

Por todas estas razones se prefiere generalmente efectuar los ensayos por bombeo. Pero es necesario tomar grandes precauciones para evitar que se produzcan arrastres del terreno que cambiarían completamente el valor del coeficiente C que se creía aplicable.

Como generalmente las cavidades son de pequeñas dimensiones, las permeabilidades calculadas se refieren a un pequeño volumen de terreno y se pueden considerar como puntuales. Es necesario ensayar un gran numero de puntos para poder tener un valor medio de la permeabilidad del terreno.