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Número:
DuocUC
Mecánica de Suelos.
Revisión Número: 0
Título
Teoría Límites de
Atterberg
Preparado por:
Cristian Solís Chávez
Fecha de vigencia:
01 – Enero - 2004
Revisado por:
Cristian Solís Chávez
MS 03-00-01/a
1
Aprobado por:
Juan Niemann Soto
I DEFINICION
Arcilla – es el suelo que pasa el tamiz de 0.075 mm (N° 200) que puede exhibir plasticidad dentro de
un rango de contenidos de humedad, y que exhibe considerable resistencia cuando se encuentra
seca al aire.
Limo – es el suelo que pasa el tamiz de 0.075 mm (N° 200) que es no plástico o ligeramente plástico,
y que exhibe poca o ninguna resistencia cuando se encuentra seca al aire.
Arcilla orgánica – es una arcilla con suficiente contenido orgánico para influenciar las propiedades
del suelo.
Limo orgánico – es un limo con suficiente contenido orgánico para influenciar las propiedades del
suelo.
Turba – es un suelo compuesto principalmente de materiales vegetales en varias fases de
descomposición usualmente con un olor a materia orgánica descompuesta, un color marrón oscuro a
negro, una consistencia esponjosa y una textura que varía de fibrosa a amorfa.
II INTRODUCCIÓN.
La cohesión es la propiedad básica de un suelo fino de ofrecer resistencia a cambiar de forma, debido
a la ligazón entre sus partículas, que son tan pequeñas como para estar sujetas a fuerzas de tipo
eléctrico y molecular. Una de las consecuencias más importantes de la existencia de la cohesión en
los suelos, es la de ofrecer resistencia al deslizamiento en un determinado plano, propiedad que
recibe el nombre de resistencia al corte.
Existen varios términos asociados al grado de cohesión de un suelo. Así el término plasticidad es una
propiedad que está relacionada con la cohesión y caracteriza a suelos con un bajo grado de
cohesión.
Después que un suelo cohesivo ha sido amasado, su consistencia puede variar a voluntad,
aumentando o disminuyendo su contenido de humedad. Así por ejemplo, si se reduce lentamente el
contenido de humedad de una arcilla líquida, la arcilla pasa gradualmente del estado líquido al estado
plástico y finalmente al estado sólido. El contenido de humedad al que se produce el paso de un
estado a otro es muy distinto para las diferentes arcillas y por ello dichos contenidos de humedad se
puede utilizar para identificar y comparar las arcillas entre sí. Sin embargo, el paso de un estado a
otro no ocurre en forma abrupta, es en forma muy gradual.
Existe una serie de relaciones empíricas que permiten medir la capacidad de un suelo para absorber
humedad sin cambiar su estado de consistencia. Los más usados son el límite plástico, límite líquido
y límite de contracción, desarrollado por Albert Atterberg y conocidos como Límites de Atterberg.
El límite líquido (LL) representa el menor contenido de humedad necesario para reducir la masa de
suelo a una condición de semi-fluido, con una cohesión insignificante, expresado como porcentaje
respecto al peso del suelo seco.
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El límite plástico (LP) es el contenido de humedad sobre el cual las partículas de suelo están bien
lubricadas y pueden ser moldeadas en una masa plástica. Una menor cantidad de agua lleva al suelo
a un estado semi-sólido, quebradizo. Por otra parte, una mayor cantidad de agua hace al suelo más
plástico como resultado de una disminución de su cohesión. El límite plástico es el menor contenido
de agua para el cual el suelo mantiene características plásticas, expresado como porcentaje respecto
al peso del suelo seco.
El límite de contracción (LC) de un suelo es el contenido máximo de agua para la cual una
reducción del agua no causa una variación del volumen del suelo. Expresado como porcentaje
respecto al peso del suelo seco.
La capacidad de un suelo de absorber agua sin perder su cohesión o pasar al estado semi-fluido
queda expresada por la diferencia de los límites líquido y plástico, y recibe el nombre de Indice de
Plasticidad (IP).
La figura siguiente muestra la escala de contenidos de agua de un suelo, mostrando los límites de
Atterberg y la consistencia aproximada de un suelo remoldeado:
Estado sólido
Estado semi-sólido
Estado o rango plástico
Estadosemi-líquido
agua
IP = LL -LP
LC
Consistencia
dura
LP
Consistencia
muy firme
LL
Consistencia
Consistrencia
Consistencia muy blanda
firme
blanda
En ciertos suelos granulares, particularmente en las arenas de textura fina y uniforme, la presencia
de una cantidad relativamente pequeña de agua (del orden de un 3% a un 5 % en peso) crea fuerzas
de adhesión entre las partículas dándoles una cierta cohesión aparente. Este fenómeno lo provocan
las fuerzas capilares que se generan por la presencia del agua.
El límite líquido y el Indice de plasticidad constituyen unidos una medida de la plasticidad de un suelo.
Los suelos que poseen LL e IP de valores altos se dice que son muy plásticos. A los que tienen bajos
valores se les llama ligeramente plásticos.
La diferencia entre los suelos orgánicos e inorgánicos puede hacerse usualmente, ejecutando dos
pruebas para determinar dos limites líquidos con el mismo material, una con suelo húmedo o secado
al aire, y otra con el suelo secado en el horno. El secado en el horno produce cambios irreversibles
en los componentes orgánicos que producen un límite líquido significativamente inferior. Si el límite
de la muestra secada en el horno es inferior a aproximadamente el 75% de la muestra que no se
secó de esa manera, el suelo puede clasificarse como orgánico. Debe destacarse que unos cuantos
minerales inorgánicos de arcilla y otros componentes de los suelos finos también experimentan
cambios irreversibles al secarlo al horno; por lo tanto la identificación no puede basarse siempre en
los resultados de las pruebas de los límites.
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La humedad natural de una arcilla (w) es en sí una propiedad índice útil. Sin embargo, tiene un mayor
significado la relación de la humedad natural a los limites líquido y plástico. Los depósitos que tienen
humedades cercanas al límite líquido son usualmente mucho más blandos que los que tienen
humedades cercanas al limite plástico. Una de las propiedades características más importantes de
los depósitos de arcilla natural es, por lo tanto, el índice de liquidez (IL), definido por la ecuación:
IL
= w - LP
LL-LP
=
w – LP
IP
Puede verse que IL es negativo en los suelos que tengan humedades menores que el límite plástico.
Al aumentar el contenido de agua del límite plástico al límite liquido, el valor de IL aumenta de 0 a 1.
Si la humedad natural es mayor que el límite líquido, el índice de liquidez es mayor que 1. La
consistencia de una arcilla remoldeada puede estimarse cuando se conocen su humedad natural y
los valores de sus límites.
Ninguna de las pruebas para determinar los límites de Atterberg es difícil de ejecutar, aunque se
requiere cierta experiencia para desarrollar la técnica necesaria para obtener resultados
reproducibles. La determinación del límite líquido se hace comúnmente, utilizando un aparato
mecánico diseñado por A. Casagrande (Ver figura 1). Se coloca una muestra del suelo remoldeado
en la copa o taza de bronce, y se hace una ranura de 2 mm de ancho en el centro de la pasta de
suelo. Luego, el operador da vuelta la manivela que levanta la copa a cierta altura, con una frecuencia
de 2 golpes por segundo, de manera que el punto de contacto entre la copa y la base quede a un
centímetro sobre la base. Desde esta posición la copa cae libremente. El suelo está en el límite
líquido, si se requieren 25 golpes para hacer que los extremos inferiores de la ranura queden en
contacto entre sí en una longitud de 10 mm. La humedad que tenga la muestra cuando se le da este
número de golpes es el límite líquido.
Figura 1
La determinación del limite plástico se ejecuta formando cilindros delgados con una muestra de suelo
plástico con un diámetro de 3 mm. Si el suelo no se desmorona, se recoge el cilindro, se vuelve a
amasar y se rota de nuevo. Se repite este proceso hasta que el cilindro se comienza a desmoronar
precisamente cuando adquiera el diámetro de 3 mm. A la humedad a la que se desmorone el cilindro
se la define como límite plástico.( figura 2 )
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Figura 2
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 el límite líquido (LL), mediante la siguiente expresión:
LL = ( (N / 25)tg(b) )* wn ( % )
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 grafican 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.
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- Método del cono del Instituto Tecnológico de Georgia. Este aparato (figura 3) 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 4
El método del cono facilita la determinación del límite líquido en suelos poco plásticos.
Figura 3
Cono del Instituto Tecnológico de Georgia.
Figura 4
Gráfico para determinar límite líquido.
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 ensayes 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 ensaye del límite de contracción.
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El ensaye 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 5.
Equipo para determinar el límite de contracción.
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LÍMITE LÍQUIDO SEGÚN NCh 1517/ I Of. 1979
1. OBJETIVO
La experiencia de laboratorio “límites de Atterberg” tiene como objetivo determinar los límites líquido,
plástico y de contracción de un suelo y reconocer los diferentes comportamientos según sea la
muestra de suelo escogida.
2. ANTECEDENTES GENERALES
Los suelos que poseen algo de cohesión, según su naturaleza y contenido de agua, pueden
presentar propiedades que lo incluyan el estado sólido, semi-sólido, plástico o semi-líquido.
El contenido de humedad límite al que se produce el cambio de estado varía de un suelo a otro. Por
esta razón cobra importancia su determinación de acuerdo a uso que se le dará al suelo estudiado.
3. TAMAÑO DE LA MUESTRA DE ENSAYE
La muestra de ensaye debe tener un tamaño igual o mayor que 100 g del material que pasa por el
tamiz de 0.5 (≈ ASTM Nº40) obtenido de acuerdo con LNV 45.
Nota 1: Cuando se efectúa además la determinación del límite de contracción, aumentar el
tamaño de muestra en la cantidad requerida para dicho ensaye.
4. LIMITE LÍQUIDO (NCh 1517/I Of. 1979)
4.1 Equipo necesario
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Aparato de límite líquido (máquina Casagrande).
Acanalador (Casagrande o ASTM), mango de calibre de 1 cm.
Plato de evaporación de porcelana de 120 mm. de diámetro.
Espátula hoja sensible de 20 mm. de ancho y 70 mm. de largo.
Horno de secado.
Balanza de precisión de 0,01 gr.
Herramientas y accesorios: placas de vidrio, agua destilada, recipientes herméticos, malla N°
40 ASTM, y probeta de 25 ml. de capacidad.
4.2 Procedimiento
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a) La muestra debe tener un tamaño superior a 100 grs. Del material que pasa por el tamiz 0.5
mm. este se mezcla con agua destilada y se deja curando por un tiempo que asegure una
mezcla homogénea, mínimo 12 horas, si es mas plástico el material, se cura por mas tiempo.
b) Poner la muestra en el plato de evaporación, agregándole suficiente agua destilada.
c) Mezclar 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.
Nota 2 : En los suelos de alta plasticidad este plazo no debe ser menor que 24 h. En suelos de
baja plasticidad este plazo puede ser mucho menor y en ciertos casos puede eliminarse. Debe
calibrarse el aparato de Casa Grande.
d) Colocar el aparato límite líquido sobre una base firme (tiene que estar limpia y seca) y se
deposita en la taza unos 50 a 70 grs. de la pasta homogénea, para luego alisar la superficie
con la espátula, para que la altura obtenida en el centro sea de 10 mm. y la masa ocupe un
volumen aproximado a los 16 cm3.
e) Una vez enrazado, dividir la pasta en dos partes con el acanalador, 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 proceso.
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f) Teniendo el surco, girar la manivela del aparato con una frecuencia de 2 golpes por segundo,
contando el número de golpes necesario para que la ranura cierre en 10 mm. de longitud en el
fondo de ella.
g) Tomar aproximadamente 10 grs. del material que se junta en el surco para determinar la
humedad.
h) Trasladar el material sobrante 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).
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Es importante señalar que el ensayo se debe realizar desde la condición más húmeda a la
más seca.
4.3 Cálculos
PORCENTAJE DE HUMEDAD
-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.
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
5
10
15
20
25
100
30
35
40
45 50
1000
Ficha Para Graficar Límite Líquido
4.4 OBSERVACIONES
a) Algunas de las variables que pueden afectar el resultado de la prueba del límite líquido, son:
utilizar una porción mayor de suelo a ensayar en la cuchara, no cumplir con la frecuencia de
golpes especificada anteriormente, el tiempo en realizar la prueba y la humedad en el
laboratorio. Podrá afectar también 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, cono sucede con los materiales
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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.
b) 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.
c) 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.
d) En suelos arcillosos el acanalador será pasado una vez, en cambio para limos se requerirán 2
a 3 pasadas, limpiando cada vez el acanalador.
4.5 Otros métodos para determinar el límite líquido.
4.5.1
4.5.2
4.5.3
Método por un punto.
Método por dos puntos.
Método del con del Instituto Tecnológico de Georgia.
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LÍMITE PLÁSTICO (NCh 1517/ II Of. 1979)
5.1 Equipo necesario
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Plato de evaporación de porcelana de 120 mm. de diámetro.
Espátula hoja flexible 20 mm. de ancho y 70 mm. de largo.
Placa de vidrio esmerilado o mármol como superficie de amasado.
Horno de secado.
Patrón de comparación, puede usarse un alambre ó plástico de 3 mm. de diámetro.
Balanza de precisión de 0,01 gr.
Probeta de 25 ml. de capacidad.
Herramientas y accesorios: Malla N° 40 ASTM, agua destilada y recipientes herméticos.
5.2 Procedimiento
a) La muestra de ensayo se prepara exactamente igual a la descrita en el límite líquido, o puede
utilizarse la misma muestra que se utilizó en ese ensayo, en la etapa que en que la pasta de
suelo está se vuelva lo suficientemente plástica para moldearla como una esfera.
b) Tomar una porción de suelo de aproximadamente 1 cm3, se amasa entre las manos 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 de 3 mm. se dobla y amasa
nuevamente, para volver a formar un 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.
c) 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.
d) Se deben hacer tres determinaciones que no difieran entre sí en más de 2%, en caso contrario
deberá repetirse el ensayo.
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Cálculo
-Calcular el límite plástico (LP) del suelo, como el promedio de las tres determinaciones
realizadas.
- Calcular el índice de plasticidad (IP), mediante la siguiente expresión :
IP = LL – LP
(%)
donde:
LL = límite líquido del suelo (%)
LP = 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 = ( w - LP ) / IP
IC = ( LL – w ) / IP
5.4
OBSERVACIONES
a) 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
b) 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.
-Por pedacitos en forma de barril de 6 a 8 mm. de largo.
c) 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.
d) Es recomendable realizar el ensayo en cámara húmeda para evitar la evaporación en la
muestra de suelo.
e) Si no es posible determinar uno de los límites (LL o LP), o si la diferencia es negativa (IP), el
suelo se clasificará como no plástico (NP).
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LIMITES DE ATTERBERG
PROCEDENCIA
CALICATA
ESTRATO
FECHA
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLASTICO
ENSAYE N°
CAPSULA N°
1
2
3
4
5
1
2
3
NUMERO DE GOLPES
1
PESO CAPSULA+SUELO HUMEDO
2
PESO CAPSULA+SUELO SECO
3
PESO CAPSULA
4
PESO AGUA
5
PESO SUELO SECO
6
% HUMEDAD
7
PROMEDIO LP
LIMITE LIQUIDO%
LIMITE PLASTICO %
INDICE DE PLASTICIDAD (LL-LP)