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Permeabilidad líquida borrador b

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DERK INGENIERÍA Y GEOLOGÍA LTDA.
SISTEMA DE GESTIÓN INTEGRADO
“ENSAYO DE CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA EN LECHO
NO SATURADO”
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04.Febrero 2019
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COPIA
CONTROLADA
ÍNDICE.
1.
OBJETIVOS Y ALCANCES.
2.
RESPONSABLES.
3.
DEFINICIONES Y ABREVIATURAS.
4.
MODO OPERATIVO.
5.
REGISTROS.
6.
REFERENCIAS.
7.
ANEXOS.
Versión
Razón del Cambio
Fecha
Aprobación
Preparado
Nombre
Cargo
Firma
Fecha
Revisado
Aprobado
Toma Conocimiento
DERK INGENIERÍA Y GEOLOGÍA LTDA.
SISTEMA DE GESTIÓN INTEGRADO
“ENSAYO DE CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA EN LECHO
NO SATURADO”
1.
OBJETIVOS Y ALCANCES.
1.1
Objetivo.
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04.Febrero 2019
1 BORRADOR
2 de 15
Realizar un Ensayo de Permeabilidad Líquida en lecho no saturado a minerales aglomerados de cerro colorado en celda de permeámetro Humboldt.
1.2
Alcance.
Este procedimiento es aplicable a los servicios suscritos por DERK Ltda., en los que se ejecuten ensayos
de conductividad hidráulica de minerales aglomerados para ser testeada en un permeámetro en lecho no
saturado, quedando fuera del alcance de este procedimiento la ejecución de la preparación de la muestra,
tales como determinación de densidad relativa, máxima, mínima, análisis granulométrico, y extracción de
partículas de la muestra.
Se considera el uso de permeámetros del tipo Celda de Humboldt para la ejecución de los ensayos descritos en este procedimiento.
2.
RESPONSABLES.
Los responsables de velar por el cumplimiento de este procedimiento, serán los profesionales o especialistas a cargo de realizar el trabajo, en lo que respecta a la realización de los ensayos de permeabilidad.
 Administrador de Contrato: Persona encargada de entregar las directrices del servicio, y todo el apoyo logístico necesario para la realización de los trabajos y actividades, insertas en las bases del Contrato, manteniendo un alto estándar de Calidad y Seguridad. Será responsabilidad del Administrador de
Contrato el permanente control, custodia y difusión documental de este procedimiento de trabajo, mediante firma que autorice su uso. Por otra parte, será el coordinador de emergencias o en su defecto
quien lo reemplace.
 Ingeniero o Especialista encargado: Responsable de la difusión (verbal) de este Procedimiento, dejando registro escrito donde conste: nombre, cédula de identidad, cargo y firma de cada participante.
 Equipo de Especialistas: Cumplir y velar por el cumplimiento de este procedimiento de trabajo, apoyando en su mejora continua.
3.
DEFINICIONES Y ABREVIATURAS.
Procedimiento: Documento que describe “Qué”, “Quién”, “Cuándo”, “Dónde”, “Cómo” y “Con qué”, se
realizan las actividades dentro de la Organización.
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Permeabilidad: Usualmente se tiende a pensar que los términos conductividad hidráulica, K, y permeabilidad son equivalentes; sin embargo la permeabilidad, k, es una propiedad intrínseca del medio; a diferencia de K que es función de las propiedades del medio poroso y el fluido que circula a través de él, Hubbert
(1956). Se entiende entonces que un fluido viscoso se moverá más lento que el agua a través de un mismo medio poroso.
La descarga es proporcional al peso específico del fluido, , que es la fuerza ejercida por la gravedad sobre un volumen unitario de fluido; pero inversamente proporcional a la viscosidad dinámica del fluido, , la
cual es una medida de la resistencia del fluido al corte necesario para el flujo del fluido. Luego, la relación
entre la conductividad hidráulica y la permeabilidad está dada por:
ECUACIÓN 3.4
Donde g es la aceleración de gravedad y  es la densidad del fluido. Las dimensiones de la permeabilidad
o más bien permeabilidad intrínseca es de unidades de longitud al cuadrado o Darcy; cuya relación está
dado por:
ECUACIÓN 3.5
Permeámetro: Aparato empleado para medir la permeabilidad de una muestra de suelos.
Densidad: Corresponde a la relación que existe entre la masa que posee un cuerpo y su volumen.
Razón de vacíos: Se define como la relación que existe en un suelo, entre el volumen de vacíos, el cual
corresponde al volumen total de aire y de agua que contiene, y su volumen de partículas sólidas.
Permeabilidad líquida: es una constante que relaciona el flujo de riego aplicado a un lecho aglomerado
con la cantidad de líquido retenido por el lecho. Por esta razón, su valor no depende de las condiciones de
operación, sino que es una propiedad exclusiva del lecho aglomerado.
La cantidad de líquido retenido por el lecho aglomerado se divide en dos partes:
Una porción es fija, inmóvil de acuerdo con la teoría y se denomina contenido de líquido crítico. Este contenido de líquido permanece en el lecho aún después de terminar el drenaje.
La otra parte de líquido se denomina contenido de líquido en exceso y de acuerdo con la teoría es el único
líquido que se mueve durante la lixiviación del lecho.
El conocimiento de estas cantidades de líquido, más algunas propiedades físicas del líquido y del sólido,
permiten determinar el valor de permeabilidad líquida.
A diferencia de un lecho saturado, el movimiento de un líquido en un lecho no saturado se produce por la
acción de la gravedad sobre el líquido en exceso contenido en el lecho aglomerado. La ecuación que rige
el movimiento del líquido en exceso en el interior del lecho está dada por:
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ECUACIÓN 3.6
Donde:
V0 = Velocidad en riego (cm/s)
k = Permeabilidad líquida (cm2)
g = Aceleración de gravedad (cm/s2)
ρl = Densidad del líquido (gr/cm3)
µ = Viscosidad del líquido (gr/cm*s)
Ɵ = Razón de líquido de exceso (-)
Por otra parte:
ECUACIÓN 3.7
Donde:
Ɵ = Razón de líquido de exceso (-)
l = Contenido de líquido total (gr/cm3)
l* = Contenido de líquido crítico (gr/cm3)
ρl = Densidad del líquido (gr/cm3)
El contenido de líquido se define como el peso del líquido por unidad de volumen de huecos en el lecho
aglomerado.
Por otro lado, la ecuación general para el movimiento de un líquido en el interior de un lecho aglomerado
no saturado está dada por:
ECUACIÓN 3.8
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Esta ecuación se puede solucionar cuando la condición de flujo de riego es nula, es decir, cuando el lecho
se deja de regar. Esta condición se representa por las siguientes consideraciones inicial y de borde:
Ɵ = Ɵi
Ɵ=0
en t = 0 (Momento de la detención del riego)
en x = 0 (En la superficie del lecho)
En este caso, la solución de la ecuación (3) es:
ECUACIÓN 3.9
Donde:
Vs = Velocidad del líquido a la salida del lecho, esto es, en x = L (cm/s)
Ɛ = Porosidad del lecho (cm 3)
L = Altura del lecho (cm)
ρl = Densidad del líquido (gr/cm3)
l* = Contenido de líquido crítico (gr/cm3)
µ = Viscosidad del líquido (gr/cm*s)
k = Permeabilidad líquida (cm2)
g = Aceleración de gravedad (cm/s2)
t = Tiempo de drenaje (s)
La ecuación 3.9 muestra la variación de flujo a la salida del lecho en función del tiempo. Esta ecuación
también se denomina curva de drenaje.
La ecuación 3.9 también muestra que si se grafica el flujo de drenaje en función de t-3/2 se obtiene una
línea recta, la pendiente de esta recta se puede determinar por regresión lineal con los datos experimentales.
Con la pendiente de esta recta (P), finalmente se calcula la permeabilidad líquida mediante la siguiente
ecuación:
ECUACIÓN 3.10
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4.
MODO OPERATIVO
4.1.
Requerimientos Generales Previos:
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Para llevar a cabo el test, es necesario que se cumplan cuatro condiciones que son prerrequisitos de la
prueba.
 Continuidad del flujo sin cambios en el volumen de suelo durante el test.
 Flujo en estado estable, sin cambios en el gradiente hidráulico. Para efectuar esta medición se requiere que la columna se encuentre previamente en riego con flujo continuo y constante al menos durante
5 horas (verificar que el efluente este drenando por lo menos 2 horas).
 La muestra a ensayar no debe contener partículas de tamaño mayor a 19mm, en caso de tenerlas deben ser removidas previamente tamizando.
 Para efectuar esta medición se requiere que la columna se encuentre previamente en riego con flujo
continuo y constante al menos durante 5 horas (verificar que el efluente este drenando por lo menos 2
horas).
 El mineral aglomerado a ser testeado tenga una densidad aparente entre 1.26-1.30 g/cc
 Preparar muestra de mineral aglomerada con los días de reposo previos a la realización del test.
Equipos y Materiales para el ensayo de Permeabilidad.
 Permeámetro de Carga Constante marca Humbolt, modelo HM-5804, Celda de 6”: equipado con dos
platos porosos, dos salidas laterales para manómetros, un resorte en el extremo superior.
 Bomba peristáltica que asegure un flujo de refino de 6 l/hm2, recomendable bomba peristáltica digital.
 Balanza digital con capacidad de hasta 30 kg.
 Balanza de precisión de 0.01 g
 Regla metálica de medir.
 Probetas graduadas de con capacidades de 1000mL y 500mL
 2 Vasos de Precipitados de 250 mL.
 1 a 2 Probetas de 10 mL, con precisión 0.1 mL
 Muestra de mineral aglomerado
 2 Cronómetros deportivos simple.
 Planilla de datos y cálculos, Registro en ANEXO.
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Equipo de Protección Personal:
 Lentes de seguridad claros
 Guantes desechables de nitrilo
 Zapatos de seguridad
 Ropa antiácido, slag o buzo.
Personal Requerido:
 02 Encargados de realización del test de permeabilidad líquida.
4.2.
Recomendaciones Generales:
 Hacer la caracterización granulométrica de la muestra a ser testeada y mantener el registro junto a los
valores a medir.
 Conocer condiciones de aglomeración para cada muestra mineral a realizar ensayo, como dosis de
ácido kg/ton, humedad, días de reposo, dosis de NaCl kg/ton, densidad aparente g/cc.
 Etiquetar bolsas con muestra de mineral indicando su tipo, día de aglomeración y cantidad de días para reposo.
 Cebar la bomba peristáltica, eliminando aire en los conductos
 Verificar el flujo de refino antes de iniciar el riego y durante las horas que dure el riego por lo menos
cada una hora.
 Para efectuar esta medición se requiere que la columna se encuentre previamente en riego con flujo
continuo y constante al menos durante 5 horas
 Verificar que el efluente este drenando por lo menos 2 horas.
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4.3.
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Descripción de la Actividad de Ensayo de Permeabilidad Liquida en lecho no saturado
1º. Preparación de la Muestra y Montaje:
 Medir el diámetro interno D, de la celda
del permeámetro, ver Figura 4.1.
 Colocar plato poroso en el fondo de la
celda y malla sobre él. Luego depositar la
muestra.
 Para depositar la muestra aglomerada al
interior del permeámetro, la masa total se
vierte lentamente desde una bolsa, con el
cuidado de no dañar el glómero, girando
el permeámetro a medida que se introduce el mineral.
 Medir la altura H1 desde la parte superior
del disco con la muestra cargada, hasta
la parte superior de la muestra, como se
indica en Figura 4.1. Se recomienda
usar la marca superior del permeámetro como límite para cargar la muestra.
H1 debe medirse 3 o más veces en diferentes puntos del perímetro y registrar el
promedio de los valores obtenidos. Si
bien se mide H1 al inicio y se vuelve a
medir al final del drenaje de 24 horas, el
Figura 4.1: Permeámetro adaptado para permeabilidad líquida
valor promedio medido importante y a ser
utilizado en los cálculos es el valor promedio medido al final de la prueba, el que se mide después
de las 24 horas de drenaje.
 El diámetro D es un valor constante que puede ser medido como se indica y ser dato de entrada
en test posteriores.H1 puede variar según la carga aún llevando la guía de la marca superior de
carga que tiene el permeámetro.
 Medir H1 que corresponde a la altura desde la parte superior del plato poroso interno, hasta donde llega la carga en cilindro acrílico. Al iniciar y terminar prueba.
 Una vez cargado el mineral y con la altura H1 registrada, instalar bomba peristáltica con tasa de
refino 6 L/hm2. Verificar tasa en la salida antes de iniciar regadío.
Desarrollo del Ensayo
Medición de permeabilidad líquida
La medición consiste en registrar la masa (o volumen) de solución de drenaje a un intervalo de tiempo, desde el
momento en que se detiene el riego de la columna.
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a) Para efectuar esta medición se requiere que la columna se encuentre previamente en riego con flujo continuo y constante al menos durante 5 horas (verificar que el efluente este drenando por lo menos 2 horas).
b) 10 minutos antes de detener el riego se mide 4 a 5 veces el flujo de riego, después de la última medición
se detiene el riego y en ese instante se le asigna el tiempo t = 0.
c) También 10 minutos antes de detener el riego se comienza a medir la masa o volumen acumulado de la
solución de drenaje a intervalos de 1 minuto.
 Para medir la masa del drenaje se ubica un vaso, previamente tarado, sobre la balanza y ambos bajo
el drenaje y se comienza a registrar el peso acumulado cada 1 minuto.
 Para medir el volumen del drenaje se ubica una probeta de 10 ml bajo el drenaje y se comienza a registrar el volumen acumulado cada 1 minuto.
Es necesario considerar que las mediciones de los primeros puntos experimentales son los más significativos para la medición de permeabilidad líquida.
d) Desde la detención del riego, se registran las mediciones a intervalos de 1 minuto durante 1 hora, después de ese tiempo el intervalo se puede espaciar.
e) Se determina la densidad del drenaje obtenido pesando 10 ml de esta solución.
f) Terminado el periodo de mediciones se deja drenar libremente hasta completar 24 horas y se mide por
separado su masa o volumen.
g) Se mide la altura final del aglomerado en la columna, se descarga y se registra el peso total del aglomerado, se lleva a secado y se determina la humedad residual.
4.4 Cálculos y Gráficos:
Este procedimiento se basa en un modelo teórico desarrollado para el movimiento de un líquido a través de un
lecho aglomerado no saturado, descrito en las referencias (1), (2) y (3).
A diferencia de un lecho saturado, el movimiento de un líquido en un lecho no saturado se produce por la acción
de la gravedad sobre el líquido en exceso contenido en el lecho aglomerado. La ecuación que rige el movimiento
del líquido en exceso en el interior del lecho está dada por:
(1)
Donde:
V0 = Velocidad en riego (cm/s)
k = Permeabilidad líquida (cm2)
g = Aceleración de gravedad (cm/s2)
ρl = Densidad del líquido (gr/cm3)
µ = Viscosidad del líquido (gr/cm*s)
Ɵ = Razón de líquido de exceso (-)
Por otra parte:
(2)
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Donde:
Ɵ = Razón de líquido de exceso (-)
l = Contenido de líquido total (gr/cm3)
l* = Contenido de líquido crítico (gr/cm3)
ρl = Densidad del líquido (gr/cm3)
El contenido de líquido se define como el peso del líquido por unidad de volumen de huecos en el lecho aglomerado.
Por otro lado, la ecuación general para el movimiento de un líquido en el interior de un lecho aglomerado no saturado está dada por:
(3)
Esta ecuación se puede solucionar cuando la condición de flujo de riego es nula, es decir, cuando el lecho se
deja de regar. Esta condición se representa por las siguientes consideraciones inicial y de borde:
Ɵ = Ɵi
Ɵ=0
en t = 0 (Momento de la detención del riego)
en x = 0 (En la superficie del lecho)
En este caso, la solución de la ecuación (3) es:
(4)
Donde:
Vs = Velocidad del liquido a la salida del lecho, esto es, en x = L (cm/s)
Ɛ = Porosidad del lecho (cm3)
L = Altura del lecho (cm)
ρl = Densidad del líquido (gr/cm3)
l* = Contenido de líquido crítico (gr/cm3)
µ = Viscosidad del líquido (gr/cm*s)
k = Permeabilidad líquida (cm2)
g = Aceleración de gravedad (cm/s2)
t = Tiempo de drenaje (s)
La ecuación (4) muestra la variación de flujo a la salida del lecho en función del tiempo. Esta ecuación también
se denomina curva de drenaje.
La ecuación (4) también muestra que si se grafica el flujo de drenaje en función de t-3/2 se obtiene una línea recta, la pendiente de esta recta se puede determinar por regresión lineal con los datos experimentales.
Con la pendiente de esta recta (P), finalmente se calcula la permeabilidad líquida mediante la siguiente ecuación:
(5)
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Los flujos instantáneos de salida se calculan con la diferencia entre dos mediciones de pesos acumulados y el
intervalo de tiempo y se divide por la densidad de la solución o directamente si se miden los volúmenes.
Conocidos los flujos de salida en función del tiempo, realizar la regresión lineal indicada en la ecuación (4). Esto
es, graficando los flujos en función de t-3/2 y por regresión lineal se obtiene la pendiente P de la recta.
Calcular l* a partir de la humedad residual del lecho.
Determinar la densidad aparente del lecho, conociendo el peso de mineral seco descargado, la altura y área de
la columna. Con este valor y la densidad real del mineral se determina la porosidad del lecho.
Con estos valores se calcula la permeabilidad líquida mediante la ecuación (5).
5
Reportes:
El reporte de permeabilidad incluye la siguiente información:
6

Proyecto, fecha, numero de muestra, localidad, profundidad, y cualquier información pertinente.

Unidad de peso seco, índice de huecos

Declaración de cualquier salida de las condiciones del test, así los resultados pueden ser evaluados y usados.

Completar los datos del test, indicando el laboratorio.

Graficar las curvas de velocidad Q/At versus gradiente hidráulico h/L, cubriendo los rangos de
identificaciones de suelo y de densidades relativas.
REGISTROS
Se deberá presentar un informe técnico con las fotografías seleccionadas, sus análisis y obtención de
curvas granulométricas características. El contenido tipo del informe técnico se presenta en Figura 5.1.
7
8
REFERENCIAS.

Standard Test Method for Permeability of Granular Soils, ASTM 2434.

Methods of test for soils for civil engineering purposes. Compressibility, permeability and durability
tests. BS 1377-5:1990
ANEXOS.
En Figura 7.1 se presenta el registro de Ensayo de Permeabilidad de Carga Constante.
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MÉTODO DE CARGA CONSTANTE”
Figura 4.8:
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1 BORRADOR
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Diagrama que muestra el paso a paso del procedimiento del ensayo de permeabilidad de Carga Constante .
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0
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DERK INGENIERÍA & GEOLOGÍA LTDA.
SISTEMA DE GESTIÓN INTEGRADO
CÓDIGO
D.IT.ING.XX.XX.XXX.2018
TITULO
TÍTULO VERDANA 10
Pág.
CONTENIDOS
ANEXOS
1.
INTRODUCCIÓN
Marcado
2.
OBJETIVOS
Marcado
3.
ALCANCES
Marcado
4.
ANTECEDENTES Y FUENTES DE INFORMACIÓN
Marcado
5.
ENSAYO DE PERMEABILIDAD DE SUELOS CON CARGA
CONSTANTE
Marcado
6.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Marcado
7.
REFERENCIA
ANEXO A:
ANEXO B:
Nombre
Cargo
DERK Ltda.
PREPARADO POR
Nombre
Cargo
DERK Ltda.
REVISADO POR
Nombre
Cargo
DERK Ltda.
APROBADO POR
Nombre
Cargo
DERK Ltda.
Santiago, nn de Mes de año.
Figura 5.1:
Contenidos de Informe Técnico sugerido.
! Marcado
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Test N°
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prueba 2 ripio 1
Fecha del Test
Reporte
Ubicación de la muestra
Fecha de toma de la muestra
Perforación
Muestra
Profundidad
Descripción
del suelo
Materiales
usados
Peso total permeametro
con agua y muestra kg
Peso del agua sobre
el plato poroso a la t°
del agua kg
Peso totral muestra
sumergida kg
Diam. D cm
H1
Peso seco w1
altura de agua sobre
disco poroso superior
cm
Area A cm2
H2
Peso húm. w2
Volumen de agua sobre
disco poroso cm3
Largo L cm
entre
manometros
Peso Permeametro kg
Peso especifico seco gr/cm3
Peso especifico seco kN/m3
Volumen total V t cm3
Contenido de húmedad
Volumen de arena
en vaso pp en cm3
300.00
Volumen de Agua V w
cm3
razón de vacio e
Peso de arena en
vaso pp en gr
515.00
Volumen de solidos V s
cm3
t° °C
k cm/s
Porosidad
Densidad Relativa RD
Test n°
1
2
3
4
5
manometros
h1
h2
h cm
Q cm3
t (s)
Q/(At)
Figura 7.1a:
h/L
ηT°C/η20°C
k20° cm/s
Promedio
Ficha de registro del ensayo de permeabilidad. k cm/s
Promedio
k20° cm/s
Peso muestra
saturada en permea.
Kg
Peso del agua
saturando la muestra
kg
Diam. D cm
H1
Peso seco w1
altura de agua sobre
disco poroso superior
cm
Area A cm2
H2
Peso húm. w2
Volumen de agua sobre
disco poroso cm3
Largo L cm
entre
manometros
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Peso especifico seco gr/cm3
Peso especifico seco kN/m3
“ENSAYOS DE PERMEABILIDAD EN SUELOS GRANULARES MEDIANTE EL
Volumen de arena
Contenido de húmedad
300.00
MÉTODO DE CARGA CONSTANTE”
en vaso pp en cm3
razón de vacio e
Peso de arena en
vaso pp en gr
515.00
t° °C
k cm/s
Código
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Fecha
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Peso Permeametro kg
PRO.011.DING
31.Enero.2018
Volumen total V t cm3
1 BORRADOR
13 de 15 Volumen de Agua V w
cm3
Volumen de solidos V s
cm3
Porosidad
Densidad Relativa RD
Test n°
manometros
h1
h2
h cm
Q cm3
t (s)
Q/(At)
h/L
1
2
3
4
5
6
Figura 7.1b:
Ficha de registro del ensayo de permeabilidad.
ηT°C/η20°C
k20° cm/s
Promedio
k cm/s
Promedio
k20° cm/s
Peso totral mue
sumergida k
Peso muestr
saturada en perm
Kg
Peso del agu
saturando la mue
kg
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“ENSAYO DE PERMEABILIDAD EN SUELOS GRANULARES MEDIANTE EL METODO DE CARGA VARIABLE”
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PRO.011.DING
31.Enero.2018
1 BORRADOR
16 de 11
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