Túneles Pruebas de Permeabilidad: Bombeo. Lefranc. Nasberg. Maestría en Construcción de Vías Terrestres. Profesor: M.I. Edgar Garduño V. José Eduardo Nava González

Pruebas de permeabilidad. La permeabilidad del subsuelo influye en: Los procesos de construcción. La funcionalidad de las obras. Su mantenimiento. La posibilidad de infiltración de agua. Las pruebas de permeabilidad se realizan en campo y en laboratorio. En campo se mide la permeabilidad en la masa de suelo y en laboratorio en muestras pequeñas.

La pruebas de campo se basan en hacer una perforación a la que se inyecta o extrae agua para generar una carga hidráulica positiva o negativa constante o variable, midiendo el gasto respectivo. De esta prueba obtendremos el coeficiente de permeabilidad k, cuyos valores medios en distintos tipos de suelos se indican a continuación:

Preparación de las pruebas. Perforación del pozo.- es esencial seleccionar la técnica de perforación. Para las pruebas de inyección se debería evitar el uso de lodos bentoníticos y se recomienda el uso de lodos con polímeros. Usar lodo bentonítico es admisible cuando se extrae primero el agua hasta eliminarlo. Tubería o ademe.- Para estabilizar la perforación, cuidando que quede ajustado a las paredes.

Para la prueba de inyección Para la prueba de inyección.- estimar la cantidad de agua que se va a emplear en función del tipo de subsuelo, puede ocuparse una bomba centrífuga. Para la prueba de extracción.- se necesitará una bomba sumergible. Equipos para medición: Medidor de flujo de agua. Cronómetro. Sonda piezométrica. Cinta métrica.

Prueba de bombeo. Se realiza en suelos que quedan por abajo del nivel freático y se emplean para verificar el gasto que se puede extraer de un pozo profundo. Para evaluar la permeabilidad del subsuelo en áreas extensas, debería ser poco frecuente su ejecución.

Pruebas Lefranc. Permiten determinar la permeabilidad local en suelos y rocas muy fracturadas, localizados por abajo del nivel freático. Consiste en inyectar o extraer agua de una perforación, estabilizada con un ademe N (diámetros 88.9 y 76.62 mm exterior e interior), con una carga hidráulica pequeña medir el gasto correspondiente. Puede ser constante o variable la carga hidráulica, según el tipo de suelo. En suelos permeables (k > 10**-4 cm/s) como arenas y gravas se hace de inyección y carga constante. En suelos poco permeables (k < 10**-4 cm/s) como arenas finas, limos y arcillas se hace de extracción con carga variable.

El equipo necesario para hacer la prueba de inyección es: Un tanque para el suministro de un gasto constante. Un tanque de volumen conocido para medir el gasto. Una tubería de conducción. Una sonda eléctrica para determinar la posición del nivel del agua. Un cono con una válvula de tres vías que permite el paso del agua a la conducción y la medición del gasto usando el tanque de volumen conocido.

El equipo necesario para hacer la prueba de bombeo y extracción es: Un tubo metálico cerrado en el fondo con el que se extrae agua de la perforación bajándolo con un cable. Una sonda eléctrica para determinar la variación del nivel dentro de la perforación. Ademe metálico en caso de no haberse usado en la perforación.

El procedimiento de la prueba es: Se coloca la parte inferior del ademe a una distancia L del fondo de la perforación. Esta distancia será nula para obtener la permeabilidad local vertical y 40 cm para obtener la permeabilidad local horizontal, luego se mide la profundidad del nivel freático (H0) respecto a la parte superior del ademe. En la prueba de inyección se llena el tanque y se abre la válvula de aguja y la de tres vías para introducir un gasto constante en la perforación; se mide con la sonda eléctrica la variación del nivel de agua en la perforación (H1) con el tiempo, con respecto a la parte superior del ademe, cuando se haya estabilizado el nivel por 10 min se tendrá el valor de la profundidad (H2) para el gasto (qi) que se mide descargando el agua en un recipiente de volumen conocido (V) y tomando el tiempo (t) que tarda en llenarse.

Medido el gasto, se hace pasar el agua nuevamente a la perforación mediante la válvula de tres vías y se abre más la válvula de aguja para incrementar el gasto. Se hacen 4 pruebas. En la de extracción se determina la posición del nivel freático, se saca agua de la perforación con un recipiente de tubo, cerrado en la parte inferior, para abatir el nivel del agua y se determina la posición del nivel de agua dentro del ademe a diferentes tiempos, elaborándose la gráfica recuperación-tiempo.

Prueba de carga constante:: Se dibuja la gráfica cargas-gastos, calculando las cargas (hi) se calculan con: hi = H0-Hi Donde: hi = carga hidráulica para un gasto qi, m. H0 = posición inicial del nivel freático respecto a la parte superior del ademe, m. Hi = posición estable del nivel de agua dentro del ademe para un gasto qi, m.

De esta figura podemos determinar: k = qi / C h = m / c Donde: k = Coeficiente de permeabilidad, m/s. qi = Gasto constante inyectado, m3/s c = Coeficiente de forma ( conforme a la sig. tabla). hi = Carga hidráulica, m. M = Pendiente de la recta.

L relación L/D de las figura 14. 3. 1 y 14. 3 L relación L/D de las figura 14.3.1 y 14.3.2, define la forma aproximada de la cavidad en que se genera el flujo y con ello el valor del coeficiente c en la tabla, también define si la permeabilidad calculada corresponde a la vertical, horizontal o promedio. De la prueba de carga variable se obtiene la gráfica de recuperación-tiempo. Las recuperaciones de la carga (hi) para cada tiempo se calculan de igual forma que en el caso anterior, con la expresión: hi = H0-Hi El coeficiente de permeabilidad se calcula con la expresión: k = (Pi * D**2/(4*C(t2-t1)))*Ln(h1/h2)

k = coeficiente de permeabilidad, m/s. h1 y h2 = recuperaciones del nivel de agua en los tiempos t1 y t2, m. t1 y t2 = tiempos en que fueron hechas las mediciones h1 y h2, s. Ln = logaritmo natural. c = coeficiente de forma (tabla 14.3.1), m. D = diámetro de la perforación, fig. 14.3.1. El procedimiento de cálculo consiste en deducir varios valores de k, tomando pares de puntos contiguos de la gráfica recuperación-tiempo y con ellos se obtiene un valor promedio de k.

Prueba de carga variable: Esta prueba puede ser más precisa en zonas de baja permeabilidad que la de carga constante. En un sitio con permeabilidad desconocida, se debe empezar por inten- tar realizar una prueba de carga constante, con la finalidad de definir el orden de magnitud de la carga de equilibrio dentro del pozo de prueba. Esta prueba se controla mediante la gráfica de Pérdida de Carga vs Tiempo mostrada.

El coeficiente de permeabilidad se calcula con la siguiente expresión: K = (d**2/ (8*L(t2-t1))*Ln(H1/H2)*Ln(L/D+((D**2+L**2)/D**2)**(1/2) Donde: d = diámetro de la tubería del pozo de prueba. H1 = carga hidráulica inicial en el t1. H2 = carga hidráulica final en el tiempo t2 .

Pruebas Nasberg. Permiten determinar la permeabilidad local en materiales no saturados. Se utiliza en rocas muy fracturadas y suelos. La medición se realiza en una perforación que no se haya hecho con lodo, a la que se le inyecta agua. Usualmente se estabiliza con un ademe N de diámetros 88.9 y 76.2 mm exterior e interior. El equipo utilizado para esta prueba es: Tanque para suministro de agua. Tubería de conducción. Medidor de gastos (tubo Venturi). Sonda eléctrica.

Procedimiento de operación: Una vez instalado el equipo, se levanta el ademe una distancia L por encima de la base de la perforación (figura 14.4.1), determinándose H0; se suministra agua a la perforación con un gasto constante; se anota la variación del nivel de agua con el tiempo y cuando se haya estabilizado durante 10 min, se define el nivel de equilibrio (Hi), para el gasto suministrado (qi). Se hacen varias determinaciones con diferentes gastos para obtener el valor medio del coeficiente de permeabilidad. La información obtenida se interpreta con ayuda de la siguiente fórmula empírica aproximada: L

FIN. k = (0.42/Hi**2)*qi*log10*(4Hi/D) Donde: k = Coeficiente de permeabilidad local horizontal, m/s. Hi = Carga hidráulica de equilibrio (Hi = Ht-H), m. qi = Gasto suministrado, m3/s. D = Diámetro de la perforación, m. Esta expresión es aplicable si se cumple: 25 < h/D < 100 Además se considera que el radio de influencia de flujo de agua es: R = (q/Pi*k)**1/2 Si L < D la permeabilidad es predominantemente vertical. Si L > 4D la permeabilidad es predominantemente horizontal. FIN.