"Si no puedes explicarlo de forma sencilla, no lo entiendes lo suficientemente bien" (Albert Einstein).
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"Si no puedes explicarlo de forma sencilla, no lo entiendes lo suficientemente bien" (Albert Einstein).
La medición del coeficiente de permeabilidad in situ para suelos: el Método LEFRANC
El coeficiente de permeabilidad es un parámetro fundamental para el análisis del flujo de aguas subterráneas en suelos. Sin embargo, su determinación en laboratorio presenta limitaciones, particularmente para el caso de suelos granulares, en los cuales no es posible la obtención de muestras imperturbadas. Debido a ello, la mejor aproximación para estimar el coeficiente de permeabilidad de suelos es a través de ensayos in situ ¿Quieres aprender más sobre el tema? Continúa leyendo este post…
Factores que afectan la permeabilidad de suelos
La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un fluido que lo atraviese sin alterar su composición. En Mecánica de Suelos, el parámetro que sirve para cuantificar esta propiedad es el coeficiente de permeabilidad “k”, el cual presenta unidades de velocidad y representa, desde el punto de vista físico, la mayor o menor facilidad con la cual el agua puede moverse a través de los granos de suelo. Así, un valor de k relativamente elevado implica que la permeabilidad es alta (como es el caso de suelos granulares), mientras que valores de k más bajos implica una menor permeabilidad (propia de suelos finos).
Entre los diferentes factores que influyen sobre la permeabilidad de un suelo dado, es importante mencionar los siguientes:
- Tamaño de los granos, ya que normalmente los vacíos del suelo son proporcionales al tamaño de sus granos.
- Las propiedades del fluido, especialmente la temperatura.
- La relación de vacíos del suelo, dado que el agua se mueve en el terreno a través de sus poros.
- La forma y disposición de los granos.
- El grado de saturación.
- Las propiedades químicas del suelo, fundamentalmente para el caso de arcillas y rocas.
Tal como se desprende del listado anterior, todos los factores mencionados están directamente relacionados con las condiciones del terreno in situ, específicamente con el arreglo de los granos en el terreno. Esto puede apreciarse de manera sencilla en la Figura 1.
Figura 1 La permeabilidad en suelos gruesos y en suelos finos.
En laboratorio es posible estimar el coeficiente de permeabilidad k de materiales predominantemente gruesos por medio del ensayo de permeabilidad a carga constante, y de materiales más finos a través del ensayo de permeabilidad de carga variable. Sin embargo, la principal limitación asociada a estos ensayos es que las muestras no son siempre representativas del arreglo que presentan los granos de suelo en campo. Esto resulta particularmente cierto para el caso de suelos granulares, lo cual implica que los valores del coeficiente de permeabilidad k obtenidos en laboratorio usualmente representen un orden de magnitud grueso del valor de la permeabilidad in situ.
Debido a ello, los ensayos de permeabilidad in situ arrojan resultados más cercanos a la realidad del terreno, fundamentalmente debido a que no se tiene la influencia de la extracción, transporte, y preparación de la muestra, y, además, la escala del ensayo se ajusta al terreno.
Permeabilidad in situ en suelos: el ensayo
A lo largo de los años fueron propuestos numerosos métodos para medir la permeabilidad de los suelos in situ. El método Lefranc, desarrollado originalmente hacia 1936, es uno de los más empleados en la práctica, fundamentalmente debido a su relativamente sencilla ejecución.
Este ensayo se utiliza para medir el coeficiente de permeabilidad en suelos permeables o semi-permeables (es decir, en materiales predominantemente granulares) situados por debajo del nivel freático; y puede emplearse también en rocas muy fracturadas.
El ensayo Lefranc se rige por la norma ASTM D-2573, y tiene dos variables, tal como se aprecia en la Figura 2: A) el ensayo de régimen constante (que corresponde a la parte “a” de dicha figura); y B) el de régimen variable (que corresponde a la parte “b”). En la misma lámina se presentan las expresiones que se emplean en cada caso para la determinación del coeficiente k.
Figura 2 El ensayo Lefranc (Fuente: modificado de https://geologiaweb.com/ingenieria-geologica/ensayo-lefranc/).
A. El ensayo Lefranc a régimen constante
Para el caso del régimen constante (ver parte “a” de la Figura 2), el procedimiento consiste en rellenar de agua un sondeo (típicamente se aprovecha una perforación luego de tomadas todas las muestras, durante el proceso de exploración del terreno) y medir el caudal Q necesario para mantener el nivel constante.
Este caudal se mide cada 5 minutos, y debe mantenerse constante el nivel en la boca de la perforación durante 45 minutos. Si se tiene un suelo de elevada permeabilidad, será necesario introducir mucha agua en la perforación, y en ese caso la medición del caudal deberá hacerse cada 1 minuto durante los primeros 20 minutos del ensayo, y luego cada 5 minutos.
Una vez realizadas las mediciones, el coeficiente de permeabilidad k se obtiene con la expresión mostrada en la parte “a” de la Figura 2, tomando en cuenta el valor promedio de todas las mediciones de caudal Q realizadas. El coeficiente C incluido en dicha expresión está asociado a la forma del sondeo, y depende de parámetros puramente geométricos, como lo son la longitud y el diámetro de la perforación.
B. El ensayo Lefranc a régimen varible
El ensayo Lefranc a régimen variable (ver parte “b” de la Figura 2) implica la medición de la velocidad de descenso del nivel de agua dentro de la perforación. En este caso, la carga de agua no debe exceder los 10 m medidos desde el centro de la cámara filtrante, es decir, desde el centro del tramo de perforación que tiene tubería de revestimiento.
Durante el ensayo, deben efectuarse al menos 5 mediciones de los siguientes parámetros: h1, que es el nivel inicial del agua dentro de la perforación; y h2, que es el nivel de agua hasta el cual desciende luego de transcurrido un tiempo t, que debe medirse desde el inicio del ensayo.
Conociendo estos parámetros, es posible determinar la permeabilidad k empleando la expresión que se muestra en la parte “b” de la Figura 2.
La precisión del ensayo Lefranc
Una pregunta cuya respuesta es muy importante conocer, es la siguiente: ¿la permeabilidad de qué estrato se está midiendo cuando se realiza el ensayo Lefranc, sea el de régimen constante o el de régimen variable?
Como se observa en la Figura 2, la longitud L del ensayo (es decir, el espesor del estrato al cual se está midiendo la permeabilidad), queda definida entre el final de la tubería de revestimiento de la perforación (que es necesaria para que no se derrumbe el suelo) y el fondo de ésta. Ese es el estrato para el cual el valor de k determinado es válido.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que en ese tramo de suelo situado por debajo de la tubería de revestimiento pueden existir diferentes capas de materiales, cada una con diferente permeabilidad. Por ende, el valor de k obtenido es representativo de ese conjunto de estratos.
Esa es la razón por la cual es conveniente efectuar el ensayo en una perforación en la cual se obtuvieron muestras de suelo para identificar los diferentes estratos, ya que con esta información es posible determinar con mayor precisión la capa de terreno cuya permeabilidad es necesario conocer.
Referencias
- Alley, W.; Reilly, T.; Franke, O. (1999) “Sustainability of Groundwater Resources”. U.S. Geological Survey Circular 1186. Denver, Colorado. USA.
- Holtz, R., Kovacs, W. & Sheahan, T. (2011) “An Introduction to Geotechnical Engineering”. Second Edition. Pearson, USA.
