Permeabilidad de los suelos: concepto y determinación (“in situ” y en laboratorio)

Expresión 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 términos particulares, un suelo) para permitir en su seno el paso de un fluido (en términos particulares, el agua) sin que dicho tránsito altere la estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina objetivamente mediante la imposición de un gradiente hidráulico en una sección del cuerpo, y a lo largo de una trayectoria determinada.

El concepto permeabilidad puede recibir también las acepciones de conductividad o transmisividad hidráulica, dependiendo del contexto en el cual sea empleado.

La permeabilidad se cuantifica en base al coeficiente de permeabilidad, definido como la velocidad de traslación del agua en el seno del terreno y para un gradiente unitario. El coeficiente de permeabilidad puede ser expresado según la siguiente función:

 k = Q / I A

Donde

– k: coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica [m/s]

– Q: caudal [m3/s]

– I: gradiente [m/m]

– A: sección [m2)]

En proyectos de ingeniería y arquitectura, las unidades con las que se expresa generalmente el coeficiente de permeabilidad son cm/s y m/s; en los ámbitos de la hidráulica o la hidrogeología es habitual observar notaciones como cm/dia, m/año y similares.

Son diversos los factores que determinan la permeabilidad del suelo, entre los cuales, los más significativos son los siguientes:

– Granulometría (tamaño de grano y distribución granulométrica.)

– Composición química del material (naturaleza mineralógica)

Como regla general podemos considerar que a menor tamaño de grano, menor permeabilidad, y para una granulometría semejante (arenas, por ejemplo) a mejor gradación, 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 relación a otros (Calcio, Magnesio).

A efectos únicamente indicativos, el DB SE-C propone los siguientes rangos de variación para la permeabilidad en función del tipo de terreno (tabla D28):

valores orientativos del coeficiente de permeabilidad, DB SE-C

valores orientativos del coeficiente de permeabilidad, DB SE-C

kz: coeficiente de permeabilidad vertical (se asume que la anisotropía 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 situ”

La estimación de la permeabilidad en suelos tiene diversos intereses, algunos directos en el proyecto de una edificación, como puede ser la valoración de la influencia de las aguas subterráneas sobre construcciones soterradas (plantas sótano, por ejemplo) a efectos de diseño de sistemas o procedimientos de impermeabilización o drenaje.

En tal sentido, el Código Técnico de la Edificación – en su documento básico dedicado a la salubridad (DB HS) – requiere de la valoración cuantificada de la permeabilidad del terreno en contacto con las soleras y las estructuras de contención.

La estimación de la permeabilidad de los suelos (y en su caso, del macizo rocoso) puede realizarse mediante tres clases de procedimientos:

– Valoración de la permeabilidad mediante relaciones empíricas establecidas entre la misma y alguna característica del suelo, generalmente su granulometría.

– Medida directa de la permeabilidad sobre una muestra adecuada (inalterada) en laboratorio.

– Estimación directa de la permeabilidad “in situ”, realizada durante la ejecución de sondeos o pozos, consistentes en la medida de las pérdidas en una columna de agua con la que se ha inundado la perforación.

De entre los ensayos “in situ”, los métodos que se citan generalmente corresponden a los ensayos Lugeon (habitualmente realizado en macizos rocosos fracturados), Lefranc (llevado a cabo generalmente en suelos relativamente permeables) y Slug Test (también en suelos permeables.)

Para el caso de suelos poco permeables, los ensayos “in situ” son poco adecuados, requiriéndose la toma de muestras y la realización de ensayos en laboratorio sobre las mismas. Según el objeto de la investigación puede escogerse entre ensayar muestras adecuadamente inalteradas (si es posible su obtención), o representativas, 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 través del mismo un flujo, cuyo caudal es medido en condiciones preestablecidas.

Los métodos habituales de laboratorio son los siguientes:

– Sobre muestras inalteradas o recompactadas: ensayo en célula triaxial, con presión en cola, bajo carga constante o variable (se trata del ensayo más adecuado para suelos de muy baja permeabilidad.)

– Sobre muestras recompactadas:

  • Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga constante (generalmente en suelos de permeabilidad alta).
  • Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga variable (apto para suelos de permeabilidad media a baja).

Los ensayos de carga constante consisten en el mantenimiento del gradiente hidráulico, determinando el caudal necesario para que dicha carga hidráulica se mantenga constante. En los ensayos de carga variable, en cambio, se inicia el proceso bajo un gradiente determinado, y se observa la variación del mismo con el tiempo.

Las siguientes figuras ilustran los métodos operativos descritos tanto para ensayos en sondeo como en el laboratorio:

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Esquema del sistema utilizado para la medida de la permeabilidad “in situ” mediante el ensayo Lugeon (nótese la colocación de un obturador en el sondeo, que impide la subida del nivel de la columna de agua por la perforación, y el mantenimiento de la presión hidráulica en la sección ensayada a presión constante, midiendo el caudal inyectado.)

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Ensayo Lefranc bajo carga constante

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Ensayo Lefranc bajo carga variable

Esquemas de los procedimientos utilizados para la medida de la permeabilidad “in situ” mediante el ensayo Lefranc (en este caso se puede optar por mantener la columna de agua a nivel constante, midiendo el caudal necesario para estabilizarla, o variable, midiendo la variación del gradiente.) Fuente: F.J. Sánchez Sanroman: Medidas Puntuales de Permeabilidad (“slug tests”).

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Esquema del equipo de laboratorio para ensayos de suelos en célula confinada y mediante carga constante (Das, 1998)

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Esquema del equipo de laboratorio para ensayos de suelos en célula confinada y mediante carga variable (Das, 1998)

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Equipo triaxial utilizado para la determinación de la permeabilidad en suelos, ensayo con probeta confinada mediante presión hidráulica y presión en cola (fuente: EQUIPOS DE ENSAYO CONTROLS.)

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17 Respuestas a Permeabilidad de los suelos: concepto y determinación (“in situ” y en laboratorio)

  1. raul patarroyo dijo:

    buen documento, gracias

  2. mikeila dijo:

    chicos a mi me ayudo mucho porqueme saque 10 en una prueva gracias a esta pagina y tambien soy una …

  3. Manolo dijo:

    Hola

    felices fiestas ante todo, y una pregunta sobre permabilidad y compresibilidad de las arcillas, si lo que tengos son datos de un ensayo CPTu puedo obtener el coeficiente de consolidación horizontal, pero para evaluar asientos necesito el vertical. Como puedo relacionar los dos, entiendo que pueden tener la misma relación que hay entre permeabilidad horizontal y vertical, pero tengo la misma duda como consigo esto.

    saludos

    • frankie dijo:

      Estimado Manolo

      Como siempre, y antes que otra cosa, gracias por su interés en este blog.

      Respondiendo a su pregunta, tengo que aclararle que yo no soy un gran experto en ensayos “in situ” (la mayor parte de mi vida profesional ha transcurrido yendo y viniendo de la consultoría al laboratorio de suelos, que tanto echo de menos), como sí lo son los Sres. Marcelo Devicenci y Albert Ventayol, a cuyo consejo le remito, y en cuyas webs y blogs (cuestan poco encontrarlos) seguro localizará información más contrastada.

      No obstante, me permitiré responder hasta donde llega mi conocimiento sobre tema.

      Como bien dice, el CPTu (y en concreto, los ensayos de disipación) le informarán sobre los coeficientes de consolidación horizontal del terreno. La relación entre el coeficiente de consolidación horizontal y vertical “acotumbra” a tomarse entre 2 y 10 (!), pero contrastes hechos “in situ” (tango por aquí un artículo de M. Devicenci del 4º simposio de geotecnia vial de Santader, por ejemplo) dan diferencias de hasta dos órdenes de magnitud (!!!!!!!!).

      Determinar con detalle y para cada suelo dónde estamos solo es posible (hasta donde yo conozco) contrastando los resultados de los ensayos de disipación con los resultados de edómetros, con lo que la respuesta que puedo darle se limita a que, si solo tenemos datos del CPTu, creo que lo más adecuado es limitarse a trabajar con el coeficiente de consolidación horizontal (si lo que pretende es determinar el grado de consolidación del suelo) y olvidarse de relacionarlo con el vertical.

      Saludos

      Joan Franch

      • Manolo dijo:

        muchas gracias por tu comentarios siempre son enriquecedores, buscare por ahí, pero con lo que me has dicho tengo las mismas dudas, tampoco se relacionar los datos del edómetro con el CPTu, por cierto que los reyes te traigan muchas cosas……..

  4. nicolas dijo:

    Hola, muy bueno el blog. estoy buscando informacion sobre la relacion que existe entre la permeabilidad y la granulometria de un suelo, mas puntualmente alguna relacion empirica que me permita obtener la permeabilidad a partir del coeficiente de permeailidad y/o el coeficiente de uniformidad.

    Muchas gracias

    • nicolas dijo:

      quise decir

      que me permita obtener la permeabilidad a partir del tamaño efectivo y/o el coeficiente de uniformidad.

      • frankie dijo:

        Nicolás;

        como sabes, y como habrás podido ver en este blog, las relaciones entre la permeabilidad se establecen en función de la granulometría (desde la más simple, la de Hazen…); así, a bote pronto, no sé de ninguna correlación que incluya justamente los dos parámetros que indicas, que desde luego tendrán mucho que ver, seguro que más que la granulometría… de todas formas, también tiene que ver el grado de compacidad de la arena, y tampoco recuerdo que la densidad relativa se tenga en cuenta para estimar la permeabilidad

        porque, en definitiva, de lo que se trata es solo de eso, de estimar la permeabilidad… yo creo que las correlaciones tienen su función, pero no suplantan definitivamente (mal el que así lo crea, pienso yo, con humildad) las necesarias medidas en el laboratorio o in situ

        … vamos… creo yo…

        gracias por pasar por este blog

        joan

  5. kenia dijo:

    buenos dias xfa necesito algo que hable de consolidacion quimica

  6. Excelente informacion. Muchas gracias por compartirlo me fue de mucha ayuda. Saludos desde Monterrey N.L. Mexico

  7. Anónimo dijo:

    Buenas tardes,
    Tengo un terreno permeable cerca del mar, y quiero hacer una excavacion para un deposito tres metros por debajo del nivel freatico.
    Para ello estamos pensando hacer unos muros pantallas con pilotes secantes de 10 m de longitud con el fin de rebajar considerablemente el nivel freatico.
    Si tenemos una permeabilidad del terreno a 10 metros de profundidad de valor aproximado de 10E-6 cm/sg
    Funcionaria el Sistema del muro pantalla?
    Gracias

  8. Anónimo dijo:

    ejecución de ensayos de bombeo en pozo

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