METODO DE AUGER HOLE El método de Auger Hole es utilizado para determinar la conductividad hidráulica por debajo de la tabla de aguas es decir en condición de saturación, fue diseñado por Diserens (1934) y perfeccionado por Kirkham (1945, 1948), Van Bavel (1948), Ernst (1950), Jonson (1952), y más tarde de nuevo por Kirkham (1955) (Ibañez et al 2012). Equipos:
Bomba de tipo manual. Cinta métrica con flotador Regla fija Barreno o elemento de excavación.
Metodología: Es una metodología sencilla de aplicar la cual se fundamenta en que el potencial predominante, el cual define el movimiento de agua en el suelo es el potencial de presión y no el gravitacional, es decir que las fuerzas ejercidas por a presión hidrostática superan a las fuerzas gravitacionales. El procedimiento se divide en tres fases consecutivas: 1. Perforación: Se realiza una perforación con un barreno a una profundidad tal se alcance una profundidad determinada por debajo del nivel freático, esta profundidad puede variar dependiendo del tipo de sondeo y de la homogeneidad del suelo, sin embargo varios autores recomiendan profundidades de excavación, Forero se sugiere una profundidad entre los 60 y 90 cm por debajo del nivel freático o a 5 a 10 veces el diámetro del pozo de excavación para cualquier tipo de suelo mientras que Ibañez recomienda una profundidad entre 60 y 70 cm por debajo del nivel freático para suelos homogéneos y entre 30 y 50 cm para sondeos de poca profundidad en donde se espera que el suelo tenga una alta conductividad hidráulica. En adición a lo anterior cabe resaltar que en esta fase la perforación debe realizarse de tal manera que se altere lo menos posible la estructura del suelo para ello (Ibañez et al 2012) recomienda utilizar barrenas de doble hoja o de tipo holandés. 2. Extracción del agua de inundación Una vez termina la fase de perforación se debe esperar un tiempo suficiente para que el agua freática dentro del pozo alcance el equilibrio con el nivel freático, es decir que cuando no haya variaciones en la elevación de la columna de agua, este tiempo puede variar en función de la conductividad hidráulica del suelo entre 10 a 30 min si el suelo es moderadamente permeable hasta algunas
horas si el suelo es poco permeable, posteriormente se extrae el agua del pozo tal que el nivel de agua disminuya entre 20 y 40 cm, utilizando una bomba manual. Debido a que durante el proceso de excavación se disminuye la porosidad del suelo en el área de contacto, la conductividad hidráulica del suelo se verá alterada por lo cual se recomienda realizar varias veces la extracción de agua con el fin de reabrir los poros del suelo lo anterior puede omitirse si se utilizan barrenas de doble hoja o de tipo holandés. 3. Medición de la velocidad de ascenso del agua. En esta etapa se busca determinar la velocidad de ascenso de agua en la perforación, para ello se clava la regla fija en el suelo de manera que las lecturas puedan tomarse de una distancia fija sobre el terreno y se introduce el flotado dentro del pozo y con la cinta y la regla se mide la variación del nivel de agua a determinados intervalos de tiempo los cuales dependen de la permeabilidad del terreno usualmente se manejan intervalos de 5 ,10 15 y 30 segundos, se recomienda realizar un mínimo de 5 mediciones mientras el nivel de agua asciende las cuales deben realizarse hasta que la altura del nivel de agua sea equivalente a un 75% de la altura total alcanzada por el nivel de agua . Calculo: La determinación de la conductividad hidráulica se realiza mediante la siguiente expresión:
K=C
∆y ∆t
Dónde:
K=Conductividad h idraulica
[ ] m dia
∆ t =Tiempo transcurrido [ s ] ∆ y=Elevacion de la lamina de agua[cm ] C=Coeficiente de forma
Figura*: Diagrama y medidas del montaje de la prueba de Auger Hole . (Villon, 2007)
El parámetro
C
puede determinarse por medio de
los ábacos que se
presentan en las figuras ** y ** o mediante ecuaciones obtenidas a partir de relaciones empíricas. Ecuaciones empíricas: Estas ecuaciones fueron desarrolladas a partir de los modelo de Ernst, estas relaciones pueden dar un valores con un error máximo del 20%, en estas relaciones se obtiene la conductividad hidráulica en m/dia y el resto de unidades deben manejarse en cm. Estas tienen las siguientes condiciones de aplicación:
7 cm>r >3 cm 200 cm> H> 20 cm
Y >0.2 H ∆ y ≤ 0.25 yo a) Si S>H
4000 r
C=
(
2
Y ( H+ 20 r) 2−
b) Si S=0
Y H
)
3600 r
C=
2
(
Y ( H+ 10r ) 2−
Y H
)
Dónde:
H=Profundidad de sondeo por debajo de la capa freatica S=¿
Profundidad del estrato impermeable desde el fondo del pozo [m].
r=Radia del agujero [ cm ] Y =Distancia entre el nivel estático del nivel freático y el nivel medio del agua en el sondeo durante el tiempo de medición.
y 0=¿ Distancia entre el nivel estático del nivel freático y el punto más bajo del nivel de agua dentro del pozo. Calculo parámetro C con ábacos: Son nomogramas desarrollados por Ernst para radios de 4 y 5 cm y para condiciones de S=0 y S<0.5H a sí mismo a partir de estos puede determinarse tanto el parámetro C así como para la conductividad hidráulica, para utilizar los ábacos es necesario conocer el valor de H, y y de
∆y ∆t . 1. Se traza una vertical en el nomograma y se identifica la intersección con la curva y=cte. 2. Se traza una horizontal que cruce el punto de intersección con el eje de las ordenadas, y el punto de intercepción con el eje será el valor de C. 3. Se conecta una recta entre de
∆y ∆t
y C y el punto de intersección
con el eje k corresponderá al valor de la conductividad hidráulica.
Figura *: Metodología obtención de parámetros C y k a partir del nomograma (Villon, 2007)
Figura*: Abaco para cálculo de los parámetros C y K(r=4cm, S = 0). (Villon, 2007)
Figura*: Abaco para cálculo de los parámetros C y K(r=4cm, S > 0.5H). (Villon, 2007)
Figura*: Abaco para cálculo de los parámetros C y K(r=5 cm, S = 0). (Villon, 2007)
Figura*: Abaco para cálculo de los parámetros C y K (r=5 cm, S > 0.5H). (Villon, 2007)
Ejemplo: En una prueba de Auger hole se cuentan con los siguientes datos: Intervalo de tiempo [min] Profundidad del pozo [cm] Profundidad del estrato impermeable [cm] Radio de la excavación [cm] Profundidad promedio del nivel de agua [cm] Cambio de nivel de agua [cm]
50 100 170 5 50 10
Teniendo en cuenta que el nivel freático se encuentra a 30 cm desde la superficie del terreno calculo la conductividad hidráulica de ese suelo. Solución: Calculo de Parámetros:
Profundidad del estrato impermeable desde el fondo del pozo
S=Profundidad estrato impermeable−Profundidad pozo S=170−100=70 cm Distancia entre el nivel estático del nivel freático y el nivel medio del agua en el sondeo durante el tiempo de medición
Y =Profundidad promedio del nivel de agua−Profundidad nivel freatico
Y =50−30=20 cm Profundidad de sondeo por debajo del nivel freático
H=Profundidad pozo−Profundidad nivel freatico H=100−30=70 cm
Distancia entre el nivel estático del nivel freático y el punto más bajo del nivel de agua dentro del pozo.
y 0=H −∆ y y 0=60−10=50 cm
Verificación de condiciones de la ecuación:
7 cm>5 cm> 3 cm
200 cm> 70 cm> 20 cm
20>0.2 ( 70 )=14 cm 10 ≤0.25 ( 50 ) =12.5 cm
Calculo Coeficiente adimensional C (S>H) Como se tiene que S>H se puede aplicar la siguiente ecuación:
4000 r
C=
2
(
Y ( H+ 20 r) 2−
Y H
)
2
C=
4000(5)
20 10 (70+20(5)) 2− 70
(
)
=34.31
Calculo conductividad hidráulica
K=C
∆y 10 = (16.3636 ) =¿ 6.86 ∆t 50
m dia
METODO DEL DONDEO PARA DOS CAPAS O ESTRATOS DE DIFERENTE CONDUCTIVIDAD El método de sondeo para dos capas es una aplicación del método de Auger Hole a suelos estratificados por lo cual esta metodología solo es aplicable cuando el nivel freático se encuentra cerca de la superficie y cuenta con las mismas limitaciones que el método descrito anteriormente. Equipos:
Bomba de tipo manual. Cinta métrica con flotador Regla fija Barreno o elemento de excavación.
Metodología: La metodología se asimila mucho al método de Auger Hole para suelos homogéneos, con la variación de que en este se realizan dos perforaciones,
para aplicar el método es necesario conocer el nivel de la interface en que se separan los estratos. El procedimiento se divide en 3 etapas: 1. Perforación: Se realizan dos perforaciones por debajo del nivel freático en el suelo, la primera a 10 a 15 cm sobre el nivel de interface, y la segunda por debajo del nivel de interface a por lo menos 50 cm de profundidad, para la realización de la excavación deben tenerse en consideración las mismas recomendaciones mencionadas previamente en el método de Auger Hole para suelos homogéneos. 2. Extracción del agua de inundación Una vez se realiza la excavación se debe esperar un tiempo suficiente que permita que el agua dentro de la excavación alcance el estado de equilibrio con el nivel freático circundante para cada excavación, posteriormente se retira el agua de cada pozo por medio de una bomba, usualmente se utiliza una bomba manual. 3. Medición de la velocidad de ascenso del agua. Se determina la tasa de ascenso del nivel de agua dentro de la excavación a intervalos de tiempo determinados por medio del flotador y la regleta. Esta fase se realiza para cada pozo de la misma manera como se realiza en el método de Auger Hole para suelos homogéneos. Calculo: La determinación de la conductividad hidráulica del estrato superior se realiza mediante la siguiente expresión:
K 1=C 1
∆y ∆t
Dónde:
K 1=Conductividad hidraulica del estrato superior
[ ] m dia
∆ t=Tiempo tra nscurrido en el pozo 1 [ s ] ∆ y=Elevacion de la lamina de aguaen el pozo 1[cm ] C1 =Coeficiente de forma del estrato superior .
La determinación de la conductividad hidráulica del estrato inferior se realiza mediante la siguiente expresión:
K 2=
Co
∆ y' −K 1 ∆t' C0 −1 C2
Dónde:
K 2=Conductividad h idraulicadel estrato inferior
[ ] m dia
∆ t '=Tiempo transcurridoen el pozo 2 [ s ]
∆ y '=Elevacionde la lamina de aguaen el pozo 2[cm] C2 =Coeficiente de forma delestrato inferior . C o=¿ Coeficiente de forma del estrato superior del estrato 2 considerando el estrato inferior impermeable.
Figura*: Diagrama y medidas del montaje de la prueba de Auger Hole para suelos estratificados. (Villon, 2007)
Ejemplo: En una prueba de Auger hole de suelos estratificados se cuentan con los siguientes datos: POZO 1
POZO 2
H1
H2
90
(cm)
170
(cm)
y1 (
y 2 (cm
35
cm) r (cm)
) r (cm)
5 0.3
∆y ∆t
∆ y' ∆t'
50
5 0.7
En ambos posos se cumple que S>H/2 y D= 100 cm. Determinar la conductividad hidráulica de cada tipo de suelo: Solución: Calculo de K1: Conociendo los valores de mediante nomogramas
K 1=C 1
y 1=35 cm y H 1=90 cm
C1 =11.7
se obtiene
.
∆y =( 9.7 )( 0.3 )=2.91 m/dia ∆t
Calculo de K2 Conociendo los valores de mediante nomogramas
y 2=50 cm y H 2=170 cm
se obtiene
C2 =3.2 .
Para la parte superior del segundo pozo para los valores de:
y 2=50 cm y H=D=100 cm se obtiene mediante nomogramas C0 =¿ 5.2
Co K 2=
∆ y' −K 1 ' ( 5.2 ) ( 0.7 )− ( 2.91 ) ∆t m = =1.168 C0 dia 5.2 −1 −1 C2 3.2
( )
MÉTODO DEL PIEZOMETRO: Es una metodología desarrollada por Luthin y Kirkham en 1949 la cual permite determinar la conductividad hidráulica en cada estrato del perfil de suelo. Equipos:
Bomba de tipo manual. Registrador del nivel de agua. Cronometro. Barreno o elemento de excavación.
Metodología: Este método es similar al método del pozo de barreno solo que se inserta un tubo dentro de la perforación, así mismo este método es aplicable a suelos estratificados, la metodología se divide en 3 etapas: 1. Perforación Se realiza una perforación a 15 cm de profundidad y se introduce el piezómetro 13 cm por medio de golpes suaves, posteriormente se repite el mimo procedimiento hasta alcanzar la profundidad deseada: Una vez se alcanza la profundidad deseada se deja una cavidad de 10 cm al fondo del piezómetro cuya excavación debe realizarse con cuidado con el fin de evitar desprendimientos. 2. Extracción del agua. Se espera un tiempo suficiente para que el nivel de aguas dentro de la perforación este en equilibrio con el nivel freático del suelo circundante, una vez no hay variación en el nivel de agua se extrae el agua por medio de una bomba , debido a que durante la excavación el suelo en contacto con el barreno o elemento de excavación es ligeramente compactado es necesario realizar varias veces este proceso hasta que el nivel alcanzado en el estado de equilibrio entre cada repetición sea aproximadamente el mismo. 3. Medición de la velocidad de ascenso del agua. Finalmente se realiza la medición del cambio de lectura en el piezómetro, a determinados intervalos de tiempo. Calculo:
La determinación de la conductividad hidráulica se realiza mediante la siguiente expresión:
K=
2 h1 πR ln C (t 2−t 1 ) h2
Dónde:
K=Conductividad h idraulica
[ ] cm s
t 1 =Tiempo inicial [ s ] t 2 =Tiempo final [ s ]
h1=Profundidad de la lamina de agua en el tubo por debajo del nivel freatico en t 1[cm] h2=Profundidad de lalamina de agua en el tubo por debajo del nivel freatico en t 2[ cm]
R=Radio delagujero [cm]
Figura*: Diagrama y medidas del montaje de la prueba del piezómetro (Villon, 2007) El cálculo del parámetro C se realiza mediante ábacos, autores como Luthin y Kirkham rezlizaron ábacos para casos particulares teniendo en cuanta las
dimensiones del piezómetro mientras que Smiles y Youngs a partir de una analogía eléctrica determinar un nomograma que abarca un mayor numero de casos.
Figura*: Abaco para la determinación del factor C (Luthin y Kirkham, 1949)
Figura*: Abaco para la determinación del factor C (Smiles y Youngs)
Ejemplo: En un ensayo del método del piezómetro se obtuvieron los siguientes datos:
h1 (cm)
110
h2 (cm)
20
t1
(s)
t2
(s)
r (cm)
5 180 5
Sabiendo que la longitud de la cavidad es de 7.5 cm, calcule la conductividad hidráulica del suelo. Solución: Calculo del parámetro C: Utilizando el nomograma de Luthin y Kirkham para la una longitud de cavidad de 10 cm y un radio de 5 cm se obtiene
C=¿ 43.75.
Calculo K
K=
2 h π (5) π R2 110 ln 1 = ln =¿ 0.0175 cm/s C (t 2−t 1 ) h2 (43.75)(180−5) 20
METODO DEL BARRENO INVERTIDO Es un método utilizado para conocer la conductividad hidráulica de un suelo cuando el nivel freático se encuentre a profundidades superiores a las alcanzables por los métodos anteriormente descritos, es conocido también como el método de Porchet. Equipos:
Balde o recipiente para aplicar agua. Cinta métrica con flotador Regla fija Barreno o elemento de excavación.
Metodología:
1. Perforación: Se realiza una perforación con a una profundidad determinada con diámetro constante sobre el nivel freático. 2. Medición de la velocidad de descenso del agua: Se adiciona agua suficiente hasta que el nivel de agua alcance una altura determinada y posteriormente se mide el descenso del nivel de agua a determinados intervalos de tiempo. Es recomendable aplicar repetidas veces la misma cantidad de agua y revisar hasta que la tasa de disminución del nivel de agua tenga valores aproximadamente constantes con el fin de descompactar la capa en contacto con el elemento de excavación y así obtener una conductividad hidráulica que se aproxime al estado del suelo no disturbado. La medición se realiza por medio del flotador y la regla fija. Calculo: La determinación de la conductividad hidráulica se realiza mediante la siguiente expresión:
K=
y 1+ r /2 r ln 2(t 1−t 2) y 2+ r /2
Dónde:
K=Conductividad h idraulica
[ ] cm s
t 1 =Tiempo inicial [ s ] t 2 =Tiempo final [ s ]
y 1=Elevacion de lalamina de agua en t 1[cm ] y 2=Elevacion de lalamina de agua en t 2[cm ]
r=Radio delagujero [cm]
Figura*: Diagrama y medidas del montaje de la prueba del pozo invertido. (Villon, 2007)
Ejemplo: En una prueba de barreno invertido se obtuvieron los siguientes valores:
y 1 (cm)
35
y 2 (cm)
100
t1
(s)
t2
(s)
r (cm)
15 45 5
Calcule la conductividad hidráulica del suelo. Solución: Calculo de conductividad hidráulica:
K=
y + r /2 r 5 35+5 /2 ln 1 = ln =0.1cm/ s 2(t 1−t 2) y 2+ r /2 2(15−40) 100+5 /2
INFILTROMETRO DE DOBLE ANILLO Es una metodología muy utilizada debido a su fácil aplicación, con ella se determina la tasa de infiltración vertical del agua en el suelo, pero con ayuda de diferentes modelos matemáticos se puede obtener la conductividad hidráulica a partir de los resultados de la prueba de infiltración. Equipo:
Par de anillos metálicos concéntricos Martillo Regla se escala triangular Reloj Plástico
Metodología:
El procedimiento para la aplicación del método de los anillos infiltrometros, Forero recomienda que se deben tomar 3 puntos aproximados equidistantes para determinar la tasa de infiltración, para ello es necesario conocer el contenido inicial de humedad del suelo, el procedimiento se realiza en 3 etapas: 1. Inserción de los anillos: Se entierran los anillos infiltrometros a una profundidad mínima de 5 cm con un martillo de tal manera que los anillos queden nivelados, se coloca plástico dentro del anillo interior tapando las paredes y el fondo con el fin de evitar la infiltración del agua. 2. Adición de agua: Se adiciona agua en el anillo interior tal que el nivel de aguas este de 2 a 3 cm por debajo del borde superior del anillo a continuación se adiciona agua al espacio entre los 2 anillos tal que el nivel de aguas este de 2 a 3 cm por debajo del borde superior del anillo exterior. 3. Medición de la tasa de infiltración: Se retira el plástico del anillo interior y por medio de una regla se miden el nivel de agua en el cilindro interior a diferentes periodos de tiempo, los más utilizados son 1, 2, 5, 10 ,20 ,30 y 60 minutos, así mismo no debe permitirse que los niveles de agua en los anillos se abatan mas de 5 cm por lo cual una vez alcancen esta distancia es necesario llenar de agua nuevamente hasta el nivel inicial de agua en el caso del anillo interior se debe registrar el nivel antes de la aplicación e inmediatamente después de la aplicación de agua.
Calculo:
PERMEAMETRO DE GUELPH Es un instrumento utilizado para medir la conductividad hidráulica en campo de un suelo, este funciona bajo el principio de la botella de Mariotte. Equipo: • Permeámetro Guelph • Perforadores cilíndricos
• Recipiente de agua con capacidad de al menos 5 litros • Cronómetro • Cinta de medición Metodología: 1. Perforación: Se realiza una perforación con a una profundidad determinada con diámetro constante sobre el nivel freático, posteriormente se inserta el permeámetro de Guelph procurando que este no golpee las paredes del pozo y se instala el implemento con ayuda del trípode con el fin de garantizar que el implemento se encuentre nivelado durante la toma de datos. 2. Adición de agua: Se llena los reservorios de agua del permeámetro por medio del tapón de goma superior garantizando que el nivel de agua dentro del permeámetro supere la mitad de su altura total 3. Medición de la velocidad de descenso del agua: Se levanta el tubo Mariotte lentamente hasta el nivel deseado para generar una carga de elevación, una vez el nivel de agua se estabilice el nivel de agua empieza a descender, si este no desciende en un periodo de tiempo de 2 minutos, posteriormente se registran los datos de se determina la tasa de ascenso del nivel de agua dentro de la excavación a intervalos de tiempo determinados. Calculo: −1
K s =Qs
( ❑2 + ❑❑ )
