1.3 . determinacion de los limites de atterberg.

1.3.
DETERMINACION DE LOS LIMITES DE ATTERBERG.
Los suelos que poseen algo de cohesión, según su naturaleza y cantidad
de agua, pueden presentar propiedades que lo incluyan en el estado
sólido, semi-sólido, plástico o semi-líquido. El contenido de agua o
humedad límite al que se produce el cambio de estado varía de un suelo
a otro.
El método usado para medir estos límites se conoce como étodo de
Atterberg y los contenidos de agua o humedad con los cuales se
producen los cambios de estados, se denominan límites de Atterberg.
Ellos marcan una separación arbitraria, pero suficiente en la práctica,
entre los cuatro estados mencionados anteriormente.
La Norma chilena 1517/I Of. 1979 define los límites.
-
Límite líquido (LL). Humedad de un suelo remoldeado, límite entre
los estados líquido y plástico, expresado en porcentaje.
-
Límite plástico (LP). Humedad de un suelo remoldeado, límite entre
los estados plástico y semi-sólido, expresado en porcentaje.
-
Límite de contracción (LC).
Humedad máxima de un suelo para la
cual una reducción de la humedad no causa una variación del volumen
del suelo, expresado en porcentaje.
Esquemáticamente:
Sólido
Semi - sólido
LC
Plástico
LP
Semi - Líquido
Líquido
LL
Además, se define el índice de plasticidad (IP) como la diferencia entre
el límite líquido y el límite plástico (IP = LL - LP).
1.3.1. Determinación del límite líquido según NCh 1517/I Of. 1979. El
límite líquido está definido, como el contenido de humedad con el
cual una masa de suelo colocada en un recipiente en forma de cuchara
(aparato de Casagrande), se separa con una herramienta patrón
(ranurador), se deja caer desde una altura de 1 cm. y sufre el cierre
de esa ranura en 1 cm. después de 25 golpes de la cuchara contra una
base de caucho dura o similar.
Casagrande (1932), determinó que el límite líquido es una medida de
resistencia al corte del suelo a un determinado contenido de humedad
y que cada golpe necesario para cerrar el surco, corresponde a un
esfuerzo cortante cercano a 1 gr/cm2.
La muestra de ensayo debe ser igual o mayor que 100 grs. y pasar
completamente por el tamiz de 0,5 mm. (malla Nº40 ASTM).
-
Equipo necesario.
- Aparato de límite líquido (máquina de Casagrande), el que
consiste en una taza (cuchara) de bronce con una masa de 200 ± 20
grs., montada en un dispositivo de apoyo fijado a una base de
caucho, madera o plástico duro (figura 1.9.).
- Acanalador (Casagrande o ASTM), mango de calibre de 1 cm.
para verificar altura de caída de la cuchara (figura 1.10.).
- Plato de evaporación de porcelana de 120 mm. de diámetro.
- Espátula hoja flexible de 20 mm. de ancho y 70 mm. de largo.
- Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable
capaz de mantenerse en 110º ± 5º C.
- Balanza de precisión de 0,01 gr.
- Herramientas y accesorios.
Placas de vidrio, agua destilada,
recipientes herméticos, malla Nº 40 ASTM y probeta de 25 ml de
capacidad.
Figura 1.9.
Secciones
del aparato de límite líquido.
Fuente: Valle Rodas R., 1982.
Figura 1.10.
Fuente: NCh 1517/I
Acanaladores.
Of. 1979.
Procedimiento. Se pone la muestra en el plato de evaporación
agregándole suficiente cantidad de agua destilada, mezclando con
la espátula hasta lograr una pasta homogénea. Esta muestra debe
curarse durante el tiempo que sea necesario para lograr una
adecuada distribución de la humedad.
Se coloca el aparato de límite líquido sobre una base firme
(verificando que esté limpia y seca) y se deposita en la taza unos
50 a 70 grs. del material preparado previamente, para luego alisar
la superficie con la espátula, de modo que la altura obtenida en el
centro sea de 10 mm. y la masa ocupe un volumen de 16 cm3
aproximadamente.
Una vez enrasado, se pasa el acanalador para
dividir la pasta en dos partes, a través de un surco de 63 mm. de
longitud. Si se presentan desprendimientos de la pasta en el fondo
de la taza, se debe retirar todo el material y reiniciar el
procedimiento.
Cuando se tiene el surco, se gira la manivela del aparato con una
frecuencia de 2 golpes por segundo, contando el número de golpes
necesarios para que la ranura cierre en 10 mm. de longitud en el
fondo de ella (secuencia en la figura 1.11.). Finalmente, se toman
aproximadamente 10 grs. del material que se junta en fondo del
surco para determinar la humedad.
El material sobrante se traslada al plato de evaporación para
mezclarlo nuevamente con agua destilada y repetir el procedimiento
por lo menos 2 veces más, de modo de obtener tres puntos que
varíen en un rango de 15 a 35 golpes (ideal es tomar 5 puntos). Es
importante señalar que el ensayo se debe realizar desde la
condición más húmeda a la más seca.
Figura 1.11. Secuencia del ensayo límite líquido.
Fuente: Lambe T., 1951.
- Cálculos y gráficos.
-
Calcular la humedad de cada prueba de acuerdo al procedimiento
del ensayo de humedad.
-
Construir un gráfico semi-logarítmico, donde la humedad será la
ordenada (en escala natural) y el número de golpes (N), la
abscisa. En el gráfico, dibujar los puntos correspondientes a
cada una de las tres o más pruebas y construir una recta llamada
curva de flujo, pasando tan aproximadamente como sea posible
por dichos puntos.
-
Expresar el límite líquido (LL) del suelo, como la humedad
correspondiente a la intersección de la curva de flujo con la
abscisa en 25 golpes, aproximando al entero más próximo. Este
dato también puede interpolarse matemáticamente con N=25
golpes, obteniendo así el límite líquido.
- Observaciones.
-
Variables que pueden afectar el resultado de la prueba del límite
líquido, son por ejemplo: utilizar una porción mayor de suelo a
ensayar en la cuchara, no cumplir con la frecuencia de golpes
especificada (2 golpes por segundo), el tiempo en realizar la
prueba y la humedad del laboratorio.
También podrá afectar el tipo de herramienta empleada para
hacer la ranura. La desarrollada por Casagrande, tiene la ventaja
de permitir un mejor control de la profundidad de la pasta de
suelos en la cuchara, en cambio la de ASTM es mejor para suelos
con bajo límite líquido, en los cuales es generalmente difícil
hacer la ranura, como sucede con materiales arenosos y limosos.
Para éstos suelos, sería incluso necesario formar parcialmente la
ranura con la ayuda de la espátula, después de lo cual la ranura
puede ser retocada con cualquiera de los ranuradores patrón.
- La altura de caída de la cuchara debe ser verificada antes de
comenzar un ensayo, utilizando el mango de calibre de 10 mm.
adosado al ranurador. En caso de no tener la altura especificada
(1 cm.), se aflojan los tornillos de fijación y se mueve el de
ajuste hasta obtener la altura requerida.
- El tiempo de curado varía según el tipo de suelo. En suelos de
alta plasticidad se requerirá de por lo menos 24 horas, en cambio
en suelos de baja plasticidad, este plazo puede ser mucho menor
e incluso en ciertos casos puede eliminarse.
-
1.3.2.
En suelos arcillosos el acanalador será pasado una vez, en
cambio para limos se requerirán 2 a 3 pasadas, limpiando cada
vez el acanalador.
Otros métodos para determinar el límite líquido.
-
Método por un punto. Este método es aplicable principalmente
en control de faenas, cuando se ha determinado la curva de flujo
por
el
método
mecánico
y
cuando
las
especificaciones
particulares para el suelo a ensayar así lo indiquen.
El procedimiento es idéntico al método anterior, solo que la
muestra debe prepararse con una consistencia tal que requiera de
20 a 30 golpes para cerrar la ranura (debe haber a lo menos dos
resultados consecutivos semejantes antes de aceptar una prueba,
registrando el número de golpes N). La humedad de la muestra,
deberá tomarse de la prueba aceptada. Una vez determinado el
contenido de la humedad, el punto obtenido se debe confrontar
con la curva de flujo predeterminada para el tipo de suelo.
Se calcula
expresión:
LL
=
el
límite
( (N / 25)tg
b
)* wn
líquido
( % )
(LL),
mediante
la
siguiente
donde:
wn
= humedad del suelo (%) correspondiente al rango de 20 a
30 golpes
tg b
=
pendiente
de
la
curva
de
flujo
en
escala
logarítmica
N
=
número de golpes entre 20 y 30
El valor de tg b varía entre 0,12 y 0,13. Comúnmente se utiliza
el valor de 0,121 el que entrega buenos resultados a pesar de no
ser estándar para todo tipo de suelos.
-
Método por dos puntos. Una variante es determinar dos puntos
del ensayo mediante la cuchara de Casagrande, un punto a cada
lado de los 25 golpes. Las humedades correspondientes a estos
puntos se gráfican en una doble escala logarítmica que posea en
ordenadas el porcentaje de humedad y en abscisas el número de
golpes.
Se traza una recta por los dos puntos obteniendo el límite líquido
de la ordenada del punto de corte de esta recta con los 25 golpes.
El laboratorio José Luis Escario del CEDEX en España concluyó
que el método de un punto es más exacto que el de dos puntos,
dado que la recta se obtuvo de métodos estadísticos y es libre de
errores accidentales, en cambio el método de dos puntos, traza la
recta empíricamente y los puntos están sujetos a errores
accidentales.
-
Método del cono del Instituto Tecnológico de Georgia.
Este
aparato (figura 1.12.) sirve para determinar el límite líquido por
medio de un cono que pesa 75 grs. el cual penetra en el suelo.
El límite líquido se define como la humedad que posee el suelo
cuando la penetración es de 10 mm.
Para evitar efectos
dinámicos, se frena la caída del peso hasta 10 segundos después
del comienzo del ensayo.
Se deben obtener diferentes
penetraciones con distintas humedades, interpolando para el
valor de los 10 mm.
También con este equipo se puede obtener el límite líquido por
el método de un punto, cuya penetración debe situarse entre los 5
y 15 mm., se obtiene su humedad y se emplea el gráfico de la
figura 1.13.
El método del cono facilita la determinación del límite líquido
en suelos poco plásticos.
Figura 1.12. Cono del
Instituto Tecnológico de
Georgia.
Fuente: Jiménez Salas J. y De Justo Alpañes J., Vol 1 1975.
Figura 1.13. Gráfico para determinar límite líquido.
Fuente: Jiménez Salas J. y De Justo Alpañes J., Vol 1 1975.
1.3.3. Determinación del límite plástico según NCh 1517/II Of. 1979.
El límite plástico se ha definido arbitrariamente como el contenido de
humedad del suelo al cual un cilindro de éste, se rompe o resquebraja
al amasado presentando un diámetro de aproximadamente 3 mm.
Esta prueba es bastante subjetiva, es decir, depende del operador, el
cual debe ayudarse con un alambre u otro material de 3 mm. de
diámetro para hacer la comparación y establecer el momento en que el
suelo se resquebraja y presenta el diámetro especificado.
La muestra necesaria para realizar este ensayo deberá tener un peso
aproximado de 20 grs. y pasar completamente por el tamiz de 0,5 mm.
(malla Nº 40 ASTM).
- Equipo necesario.
-
Plato de evaporación de porcelana de 120 mm. de diámetro.
-
Espátula hoja flexible
-
Placa de
amasado.
vidrio
20 mm. de ancho y 70 mm. de largo.
esmerilado
o
mármol
como
superficie
de
- Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable
capaz de mantenerse en 110º ± 5º C.
-
Balanza de precisión de 0,01 gr.
-
Probeta de 25 ml. de capacidad.
-
Patrón de comparación, puede usarse un alambre ó plástico de 3
mm. de diámetro.
Herramientas y accesorios.
recipientes herméticos.
Procedimiento.
La
idéntica a la descrita
misma muestra que se
de suelo se vuelva lo
una esfera.
Malla Nº 40 ASTM, agua destilada y
muestra de ensayo se prepara de manera
en el límite líquido, o bien puede usarse la
usó en ese ensayo, en la etapa en que la pasta
suficientemente plástica para moldearla como
Se toma una porción de suelo de aproximadamente 1 cm3, se amasa
entre las manos (figura 1.14.) y se hace rodar con la palma de la
mano o la base del pulgar, por sobre la superficie de amasado,
formando un cilindro. Cuando se alcance un diámetro aproximado a
3 mm. se dobla y amasa nuevamente, para volver a formar el
cilindro, lo que se repite hasta que el cilindro se disgregue al
llegar al diámetro de 3 mm. en trozos de tamaño de 0,5 a 1 cm. de
largo y no pueda ser reamasado ni reconstituido (figura 1.15.).
El contenido de humedad que tiene el suelo en ese momento
representa el límite plástico, el cual se determina colocando las
fracciones de suelo en un recipiente, secándolas al horno.
Se deben hacer tres determinaciones que no difieran entre sí en más
de 2%, en caso contrario deberá repetirse el ensayo.
Figura 1.14. Forma
de amasar la
muestra de suelo.
Fuente: Lambe T., 1951.
Figura 1.15.
Resultado del
amasado.
Fuente: Lambe T., 1951.
- Cálculos.
-
Calcular el límite plástico (LP) del suelo, como el promedio de
las tres determinaciones realizadas.
-
Calcular el índice de plasticidad
expresión:
IP
=
donde:
LL
LP
-
LL - LP
=
=
(IP), mediante la siguiente
( % )
límite líquido del suelo (%)
límite plástico del suelo (%)
Con los datos de LL, LP y la humedad natural (w) del suelo,
calcular el índice líquido (IL) y el índice de consistencia (IC)
del suelo, mediante las siguientes expresiones:
IL
IC
= ( w - LP ) / IP
= ( LL - w ) / IP
- Observaciones.
-
Esta determinación es subjetiva por la cual el operador debiera
ser el mismo para todas las determinaciones y de este modo
evitar dispersión en los resultados obtenidos.
-
La falla o resquebrajamiento del cilindro se puede definir de las
siguientes maneras:
-
simplemente por separación en pequeños pedazos,
por desprendimiento de escamas en forma tubular desde dentro
hacia afuera del cilindro de suelo o
por pedacitos en forma de barril de 6 a 8 mm. de largo.
-
Para producir la falla no es necesario reducir la velocidad de
amasado y/o la presión de la mano cuando se llega a 3 mm. de
diámetro. Los suelos de muy baja plasticidad son una excepción
en este sentido, en estos casos, la bolita inicial debe ser del
orden de 3 mm. antes de empezar a enrollar con la mano.
-
Es recomendable realizar el ensayo en cámara húmeda para evitar
la evaporación en la muestra de suelo.
-
Si no es posible determinar uno de los límites (LL o LP), o si la
diferencia es negativa (IP), el suelo se calificará como no
plástico (NP).
1.3.4. Determinación del límite de contracción según NCh 1517/III Of.
1979. Se define el límite de contracción como la humedad máxima de
un suelo para la cual una reducción de la humedad no produce
disminución de volumen del suelo.
Como se vio en los ensayos anteriores (LL y LP), con ellos se puede
predecir la presencia potencial de cambios de volumen en el suelo que
podrían provocar problemas posteriores. Sin embargo, para obtener
una indicación cuantitativa de cuanto cambio de humedad puede
presentarse (antes de tener un cambio de volumen significativo y para
obtener una indicación de la cantidad de éste), es necesario hacer el
ensayo del límite de contracción.
El ensayo comienza con un volumen de suelo que presente un estado
de humedad entre la condición de saturación completa (pero no
absolutamente necesario) y la humedad cercano al límite líquido o
superior.
El suelo se deja secar, en cuyo proceso se supone que
cualquier pérdida de humedad está acompañada por una disminución
en el volumen global de la muestra (o relación de vacíos).
A partir de ese valor límite en el contenido de humedad, es posible
producir cambios adicionales en el volumen del suelo debido a la
pérdida adicional de agua de poros.
El tamaño de la muestra de ensayo será de aproximadamente 30 grs. y
deberá pasar completamente por el tamiz de 0,5 mm.
- Equipo necesario.
-
Plato de evaporación de porcelana de 140 mm. de diámetro.
-
Regla de enrase de acero de 150 mm. de largo.
-
Espátula o cuchillo con hoja flexible de 75 mm. de largo y 20
mm. de ancho.
-
Molde cilíndrico metálico o de porcelana, con fondo plano de
unos 45 mm. de diámetro y 13 mm. de altura.
-
Taza de vidrio de 60 mm. de diámetro y 30 mm. de altura, con
borde superior pulido y esencialmente paralelo a la base.
-
Placa de vidrio con 3 puntas para sumergir la muestra en un
recipiente con mercurio (figura 1.16.).
Figura 1.16.
Equipo para
determinar
el límite de
contracción.
Fuente: Valle Rodas R., 1982.
-
-
Probeta con una capacidad de 25 ml. y graduada cada 0,1
ml.
Balanza de 0,01 gr. de precisión.
-
Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable
capaz de mantenerse en 110º ± 5º C.
-
Mercurio
destilada.
suficiente
para
llenar la
taza
de
vidrio
y agua
Procedimiento. El molde se calibra pesándolo (Mr) y obteniendo su
capacidad volumétrica. Para esto último, se llena con mercurio, se
enrasa, se pesa (Mm) y se determina el volumen de mercurio
mediante el dato de su densidad (γHG = 13,55 gr/cm3). Se registra
dicha capacidad como volumen de la pastilla de suelo húmedo a
ensayar (Vh), aproximando a 0,01 cm3.
Se toma la muestra de ensayo completamente homogenizada y se
coloca en el plato de evaporación, mezclándola con una suficiente
cantidad de agua destilada, llenando completamente los huecos y
dejando el suelo lo suficientemente consistente para colocarlo en el
molde sin inclusión de burbujas de aire.
La humedad necesaria
para alcanzar la consistencia requerida es ligeramente superior al
límite líquido y en suelos plásticos puede exceder hasta en un 10%
dicho valor.
A continuación es necesario curar la muestra al menos 24 horas
para que se mezclen homogeneamente las partes líquida y sólida.
Este plazo es variable de acuerdo al tipo de suelo.
Se recubre el interior del molde con una capa delgada de vaselina,
con el objeto de evitar la adherencia del suelo al molde. Se coloca
una porción de suelo húmedo de aproximadamente 1/3 de la
capacidad del molde en el centro de éste y se extiende hacia los
bordes, golpeando el molde contra una superficie firme recubierta
con papel secante.
Se agrega una cantidad de suelo similar a la de la primera capa y se
compacta haciendo que el aire atrapado suba a la superficie, se
agrega más material hasta llenar el molde con un exceso, para
luego enrasarlo con la regla y limpiar los restos adheridos al
exterior del molde.
Luego se pesa el molde con el suelo húmedo compactado (Mh) y se
deja secar al aire hasta que la pastilla de suelo moldeado se
despegue del molde o cambie de color oscuro a claro, la que se seca
dentro del horno hasta masa constante y se determina el peso del
molde con el suelo seco (Ms).
El secado primario (al aire), se
realiza con el fin de reducir la posibilidad de que el suelo se
fracture formándose grietas en él debido al violento cambio de
temperatura en el horno.
Finalmente, se debe obtener el volumen de la pastilla de suelo
seco, para ello debe llenarse la taza con mercurio hasta que
rebalse, se enrasa con la placa de vidrio y se limpian los restos
adheridos al exterior de la taza.
Luego se coloca la taza llena sobre el plato de evaporación (de
peso M1) y se deposita la pastilla de suelo en el mercurio
sumergiéndola con las puntas de la placa de vidrio, hasta que esta
tope firmemente contra el borde de la taza, tratando de no dejar
aire atrapado bajo el trozo de suelo ni bajo la placa de vidrio.
Al sumergir la pastilla de suelo, se desplaza un volumen de
mercurio que queda en el plato de evaporación, el que debe pesarse
(M2) ya que con la densidad del mercurio se conocerá el volumen
desplazado, que es igual al volumen de la pastilla de suelo seco
(Vs), aproximando a 0,01 cm3
- Cálculos.
-
Calcular la humedad del suelo
mediante la siguiente expresión:
w
=
momento
de
moldear,
( % )
= peso del molde más suelo húmedo (grs.)
= peso del molde más suelo seco (grs.)
= peso del molde (grs.)
Calcular el límite de contracción (LC):
LC
=
donde:
Vh
Vs
γw
-
al
( Mh - Ms ) / ( Ms - Mr ) * 100
donde:
Mh
Ms
Mr
-
(w)
w - ( Vh - Vs ) / ( Ms - Mr )* γw * 100
( % )
= volumen de la pastilla de suelo húmedo (cm3)
= volumen de la pastilla de suelo seco (cm3)
= densidad del agua (grs/cm3)
Calcular el volumen del suelo húmedo (Vh):
Vh = (Mm - Mr) / γHG
( cm3 )
donde:
Mm = peso del molde lleno de mercurio (grs.)
γHG = densidad del mercurio (13,57 grs/cc)
-
Calcular el volumen del suelo seco (Vs):
Vs = (M2 - M1) /
donde:
M1 = peso del
(grs.)
γm
( cm3 )
plato
de
porcelana más mercurio desplazado
M2 = Peso del plato de porcelana (grs.)
-
Calcular la relación de contracción (R), como la relación entre
un cambio de volumen dado y su correspondiente cambio en la
humedad sobre el límite de contracción y el cambio volumétrico
del suelo (Vc), definido como la disminución de volumen que
presenta la masa de suelo cuando su humedad (w) disminuye a
una semejante al límite de contracción (LC), mediante las
siguientes expresiones:
R
Vc
= (Ms - Mr) / Vs
= (w - LC )* R
( % )
-
Calcular la relación de contracción lineal del suelo (LS),
definida como la disminución en una dimensión que presenta una
masa de suelo cuando su humedad (w) disminuye a un porcentaje
igual al límite de contracción (LC), mediante la siguiente
expresión:
LS = ( 1 -
3
√1 - VC )* 100
( % )
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO
ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA
Proyecto :
Ubicación :
Descripción del suelo :
Humedad natural del suelo :
Fecha de muestreo :
Fecha de ensayo :
Muestra Nº
Nº de golpes
Peso recipiente + suelo húmedo
Peso recipiente + suelo seco
Peso recipiente
Peso suelo seco
Peso agua
Contenido de humedad ( % )
Determinación del límite líquido
1
2
3
4
5
Gráfico % de humedad contra número de golpes
w (%)
10
20
25
30
35
Nº de golpes
Limite líquido para 25 golpes =
(%)
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO
ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA
Proyecto :
Ubicación :
Descripción del suelo :
Humedad natural del suelo :
Fecha de muestreo :
Fecha de ensayo :
Muestra Nº
Peso recipiente + suelo húmedo
Peso recipiente + suelo seco
Peso recipiente
Peso suelo seco
Peso agua
Contenido de humedad ( % )
Límite plástico (LP ) =
Indice de plasticidad ( IP ) =
Indice de consistencia ( IC ) =
Observaciones:
Determinación del límite plástico
1
2
(%)
3
4
5
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO
ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA
Proyecto :
Ubicación :
Descripción del suelo :
Humedad natural del suelo :
Fecha de muestreo :
Fecha de ensayo :
Muestra Nº
Determinación del límite de contracción
1
2
3
Peso de la cápsula
Peso de la cápsula + suelo húmedo
Peso de la cápsula + suelo seco
Peso del suelo seco
Peso del agua
% Humedad
Densidad mercurio
Peso de la cápsula
Peso de la cápsula + mercurio
Peso del vaso vidrio lleno de mercurio
Peso del vaso vidrio con mercurio remanente
Volumen suelo húmedo
Volumen suelo seco
Límite de contracción =
Relación de contracción =
Observaciones :
%
Cambio volumétrico =
Contracción lineal =
%
%