Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Civil
Geotecnia
Informe de Laboratorio N 2 °
Límites de Atterberg
Estudiant Estudiante: e: Martín Fuentealba uentealba Prof Profes esor or:: Césa Césarr Paste astenn Auxil Auxiliar iares: es: Mauric Mauricio io Carcam Carcamoo Manuel Cortés Ayudante del laboratorio: José Grand Fecha de realización: 4 de septiembre de 2017 Fecha de entrega: 2 de octubre de 2017 Santiago, Chile
Índice de Contenidos
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Índice de Contenidos 1. Introducción
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1.1. Introducción general . . . . . . . . . . . . 1.2. Metodología de ensayos . . . . . . . . . . 1.2.1. Determinación del límite líquido . 1.2.2. Determinación del límite plástico . 1.3. Memoria de cálculo . . . . . . . . . . . . .
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2. Resultados
1 1 2 4 4 5
2.1. Determinación del límite líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Determinación del límite plástico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3. Problema Propuesto
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4. Análisis de Resultados y Conclusiones
9
4.1. Determinación del límite líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.2. Determinación del límite plástico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Referencias
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Introducción
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1. Introducción 1.1.
Introducción general
En este informe se presenta la metodología, los resultados obtenidos y una discusión sobre ellos, a partir de las experiencias realizadas en el marco del laboratorio N 2 “Límites de Atterberg” del curso de Geotecnia, el cual fue realizado en las dependencias del laboratorio de sólidos de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas FCFM de la Universidad de Chile. °
A raíz de diversos procesos de secado, los suelos pasan por distintos estados físicos. Desde comportamientos líquidos, a través de estados plásticos y finalmente por estados de comportamiento sólido. Estas transiciones de un estado a otro no ocurren de manera abrupta al alcanzarse una humedad crítica, sino que ocurren gradualmente en un amplio rango de valores para el contenido de agua. Es por este motivo que es necesario establecer criterios arbitrarios para realizar las caracterizaciones respectivas para los límites de Atterberg. Existen 5 límites descritos por Atterberg: 1. Límite de cohesión 2. Límite de pegajosidad 3. Límite de contracción 4. Límite plástico 5. Límite líquido Es en los últimos dos límites en que se centra este informe. El límite plástico, que representa la humedad a la cual el suelo pasa de un comportamiento semi-sólido a plástico, se determina mediante el ensayo de bastoncitos, encontrando la humedad a la cual bastones de suelo de 3 mm de diámetro se desmoronan en fracciones de 0.5 a 1 cm de longitud. Por otro lado, el límite líquido corresponde a la humedad con la que el suelo pasa de un estado plástico a otro semi-líquido y se obtiene encontrando la humedad a la cual una ranura en el suelo se cierra en una longitud de 13 mm, luego de que el recipiente que contiene la muestra cae 25 veces desde una altura de 1 cm. Es necesario señalar que los ensayos de los límites de Atterberg deben hacerse sobre suelos que pasen a través de la malla No. 40 1 secado al aire, según señala Bowles [3]. Investigaciones realizadas demuestran que el secado al horno y al aire resultan en una disminución del valor del límite líquido con respecto a su valor real, pero el secado al aire parece inducir la menor disminución2 .
1.2.
Metodología de ensayos
Con el fin de contextualizar los resultados que se detallan en secciones posteriores, a continuación se presenta la metodología empleada en cada uno de los ensayos realizados en el laboratorio. 1 2
Abertura de 0.425 mm. Los valores de límite líquido para muestras que fueron secadas al aire oscilan en un rango entre el 94 % al 98 % del valor real.
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1.2.1. Determinación del límite líquido Este ensayo se realiza de acuerdo al protocolo detallado por la ASTM [2], donde se especifican los materiales a utilizar y el procedimiento a seguir. En primer lugar, se toma una porción3 de suelo seco y, en un recipiente de vidrio, se añade agua mezclando el suelo hasta lograr una pasta de apariencia cremosa y color uniforme. Entonces, con una espátula, se toma una pequeña porción de la mezcla homogénea y se coloca dentro de la cuchara de bronce del aparato para determinar el límite líquido, emparejando la superficie de la pasta en la cuchara y cuidando que ésta quede repartida uniformemente y sin grumos ni burbujas. Un esquemas del montaje utilizado se presenta en la figura 1.
Figura 1: Detalles y dimensiones del aparato de límite líquido Luego, con el acanalador se corta una ranura recta que separe completamente la masa de suelo en dos partes, cuidando que la mayor profundidad del suelo sea aproximadamente igual a la altura del acanalador, el cual se presenta en la figura 2.
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250 g aproximadamente.
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Figura 2: Esquema de la herramienta acanaladora estándar Después de hacer la ranura, se procede a realizar el ensayo lo antes posible para que la humedad ambiental del laboratorio no afecte los resultados del conteo de golpes. Se gira la manivela del aparato tal que se tengan 2 caídas de la cuchara por segundo, llevando cuenta de los golpes y parando el ensayo cuando la ranura en la cuchara se cierre en una longitud de 13 mm. Se registra el número de golpes y se extrae una porción de suelo de la zona donde se cerró la ranura para luego obtener su humedad4 . Finalmente, se retira la mezcla de suelo de la cuchara, devolviéndola al recipiente y agregando más agua a la mezcla si se busca un número menor de golpes o más suelo si se busca un número mayor. Se realiza el ensayo 5 veces buscando una distribución entre los 15 y 30 golpes. Se confecciona un gráfico que contiene las humedades obtenidas en la ordenada y el número de golpes en escala logarítmica en la abscisa. Luego se traza la línea de tendencia de los datos experimentales y se obtiene el valor de la humedad para 25 golpes, que corresponde al límite líquido.
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Se pesa la muestra húmeda, luego se seca en el horno y se obtiene su peso seco, restando el peso de la cápsula se obtiene la humedad según la ecuación II de la siguiente sección.
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1.2.2. Determinación del límite plástico Para este ensayo, se utiliza una porción de la misma mezcla de suelo utilizada en el ensayo anterior. Se toma un cubo de 1 cm3 y sobre una placa de vidrio se forma un bastón de aproximadamente 3 mm de diámetro. Si el bastón se forma sin romperse, se agrega más suelo al cubo para disminuir su humedad hasta que éste se fragmente en trozos de 0.5 a 1 cm de largo, los cuales se guardan para determinar su humedad posteriormente5 . El ensayo se realiza 2 veces, obteniendo un promedio de las humedades de los fragmentos de ambos bastones, el cual corresponde al límite plástico.
1.3. Memoria de cálculo Para la determinación de la humedad en las mezclas de suelo y la determinación del índice de plasticidad se utilizan las siguientes expresiones. I) Peso del agua
W w = W h − W d
(1)
Donde: W w [g ]: corresponde al peso del agua. W h [g ]: corresponde al peso de la muestra de suelo húmedo. W d [g ]: corresponde al peso de la muestra de suelo seco. II) Humedad
W w · 100 W d
(2)
IP = ω L − ωP
(3)
ω =
Donde: ω [ %]: corresponde a la humedad. III) Índice de plasticidad
Donde: IP [ %]: corresponde al índice de plasticidad. ωL : corresponde al límite líquido. ωP : corresponde al límite plástico.
5
A través del mismo método realizado en el ensayo anterior.
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Resultados
2.
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Resultados
A continuación se presentan los resultados obtenidos de las experiencias realizadas en el laboratorio.
2.1.
Determinación del límite líquido
Una vez realizado el ensayo de determinación del límite líquido, se obtiene la tabla 1 con el número de golpes obtenido para una determinada muestra y sus pesos húmedos y secos respectivos. Tabla 1: Resultados ensayo de determinación del límite líquido DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO N de Puntos 1 2 3 4 5 N de Cápsula 38 27 69 35 13 N de golpes, N 20 35 30 23 17 Peso suelo húmedo + 16.30 16.00 14.61 13.59 14.59 Cápsula [g] Peso suelo seco + 14.63 15.20 13.52 12.68 13.58 Cápsula [g] Peso Cápsula [g] 12.35 14.01 11.96 11.40 12.29 °
°
°
A partir de la tabla anterior, es posible determinar el peso del suelo seco, el peso del agua 6 y el contenido de humedad 7 de cada una de las muestras ensayadas. Los resultados se presentan en la tabla 2. Tabla 2: Humedad de las muestras ensayadas DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO N de Puntos 1 2 3 4 5 Peso suelo seco [g] 2.28 1.19 1.56 1.28 1.29 Peso agua [g] 1.67 0.8 1.09 0.91 1.01 Contenido de 73.25 67.23 69.87 71.09 78.29 humedad [ %] °
Por último, en la figura 3 se grafican las humedades obtenidas en la tabla anterior en función del número de golpes, presentado en la tabla 1 obtenido para cada muestra en escala semilogarítmica.
6 7
A partir de la ecuación I. A partir de la ecuación II.
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Resultados
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Figura 3: Determinación del límite líquido Como se aprecia en la figura anterior, se traza la línea de tendencia de los datos experimentales, cuya ecuación es la siguiente: (4)
ω = −13,39 · ln(N ) + 114,6
Donde: ω [ %] es la humedad cuando se tienen N golpes. N es el número de golpes. Por lo tanto, evaluando la ecuación anterior en N = 25 se tiene que el límite líquido es
ωL =
71,50 %
2.2.
Determinación del límite plástico
Para el ensayo de determinación del límite plástico se obtuvieron los resultados que se presentan en la tabla 3. Tabla 3: Resultados ensayo de determinación del límite plástico DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO N de Puntos 1 2 N de Cápsula 53 77 Peso suelo húmedo + 12.84 13.53 Cápsula [g] Peso suelo seco + 12.48 13.22 Cápsula [g] Peso Cápsula [g] 11.59 12.25 °
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Resultados
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Siguiendo la misma metodología empleada para los resultados del ensayo de determinación del límite líquido, utilizando las ecuaciones I y II de la sección “Memoria de cálculo”, se obtiene la tabla 4 que presenta, entre otros resultados, la humedad contenida por cada una de las muestras ensayadas. Tabla 4: Humedad de las muestras ensayadas DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO N de Puntos 1 2 Peso suelo seco [g] 0.89 0.97 Peso agua [g] 0.36 0.31 Contenido de 40.45 31.96 humedad [ %] °
Finalmente, obteniendo un promedio entre los valores de la humedad contenida por ambas muestras se obtiene que el límite plástico es ωP = 36,2 %
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Problema Propuesto
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3. Problema Propuesto “Suponer que los finos que son utilizados en los ensayos de este laboratorio corresponden a un porcentaje proveniente del suelo utilizado en el laboratorio anterior 8 que pasa la malla No. 40. Ahora, con el límite líquido y plástico más el índice de plasticidad, terminar de clasificar el suelo visto en el anterior laboratorio, de acuerdo a la clasificación USCS, indicada en la guía No. 1, tambien consultar la norma ASTM 2487 y carta de plasticidad, indicando cómo se obtiene la clasificación final paso a paso. Asumir que la cantidad de fino es suficiente para la clasificación.” Previo a la resolución del problema propuesto, es necesario calcular el índice de plasticidad (IP), el cual se obtiene de reemplazar los valores obtenidos para el límite líquido (ωL ) y el límite plástico (ωP ) en la ecuación III. IP = ω L − ωP = 71,50 − 36,2 = 35,3 %
(5)
Luego, conocidos los límites de Atterberg y el índice de plasticidad, es posible clasificar el suelo del problema. Como señala Terzaghi [4], en 1952 se adopta el Sistema de Clasificación Universal de Suelos el cual permite realizar una clasificación confiable sobre la base de los ensayos realizados en los laboratorios 1 y 2. En este sentido, y siguiendo el detalle para la clasificación presentada por la ASTM [1] para el suelo ensayado en el laboratorio anterior, entonces: 9
Como más del 50% en peso de la muestra queda retenido en la malla No. 200, entonces se clasifica como suelo de grano grueso. Además el índice de gravas del suelo es mayor al 50 %, por lo tanto la grava domina el comportamiento de la muestra. Para realizar la clasificación utilizando el índice de plasticidad y los límites de Atterberg, se asumirá un contenido de finos entre el 5% y 12%, luego la clasificación es dual 10. Utilizando la carta de plasticidad, presentada en la figura 4, se ubica el punto de coordenadas (ωL , IP) obtenidas anteriormente.
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Laboratorio de identificación visual y análisis granulométrico. Unified Soil Classification System (USCS). 10 El suelo es caracterizado tanto por su fracción más gruesa como por los finos presentes. 9
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Análisis de Resultados y Conclusiones
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Figura 4: Carta de plasticidad para la muestra de suelo del laboratorio 1. (ASTM D2487-93) Después, y descartando la opción de que sea suelo orgánico a raíz de la inspección visual de la muestra en el laboratorio anterior, se concluye que la parte fina del suelo corresponde a limo de alta plasticidad. Finalmente, el suelo corresponde a una grava bien graduada con limo (GW-GM).
4. Análisis de Resultados y Conclusiones En esta sección se analizan y comentan los resultados obtenidos y presentados en la sección anterior para los ensayos de determinación de los límites de Atterberg.
4.1.
Determinación del límite líquido
Al graficar el número de golpes necesario para cerrar la ranura en escala logarítmica contra el contenido de humedad correspondiente en escala aritmética, el lugar geométrico de los puntos resultantes insinúa una variación de comportamiento de tipo lineal [3]. Cuando se observa la figura 3 se aprecia que, si bien los puntos tienen una dispersión no menor asociada, siguen un comportamiento modelable a través de la línea de tendencia, la cual es lineal11.
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Con un valor R cuadrado de 0.8956.
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Análisis de Resultados y Conclusiones
4.2.
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Determinación del límite plástico
Es fácil ver de la tabla 4 que existe una gran diferencia entre los dos valores obtenidos para el mismo ensayo, sobre el mismo suelo en aproximadamente las mismas condiciones. Las discrepancias obtenidas pueden atribuirse a criterios de decisión distintos entre las personas que realizan un mismo ensayo.
4.3. Conclusiones En el ensayo para el límite líquido, el valor 13.39 en la ecuación 4 de la línea de tendencia de los datos experimentales, corresponde al índice de flujo (Fi) de la muestra, que corresponde al cambio de humedad sobre un ciclo del gráfico semilogarítmico. Este valor es de utilidad para aproximar la magnitud relativa de la resistencia al corte en el suelo en el límite líquido; de realizarse otro ensayo con una muestra de igual índice de plasticidad y se obtuviese un valor distinto para el índice flujo, entonces la muestra con mayor Fi tendrá una menor resistencia al corte [3]. Lo cual podría tener aplicaciones en cuanto a la elección de un suelo por sobre otro. Por otro lado, existen variados factores que pueden afectar lo certero de los datos obtenidos, entre ellos: 1. La cantidad y el espesor de la muestra contenida en la cápsula de cobre. 2. La velocidad a la cual se dan los golpes a la cápsula. 3. El tiempo de reposo de la muestra en la cuchara antes de realizar el ensayo. 4. Humedad del laboratorio y la rapidez con la que se hace el ensayo. 5. El material utilizado como base. 6. La calibración de la altura de caída de la cápsula. 7. La herramienta para hacer la ranura. 8. La condición en la que se encuentra el aparato para realizar el ensayo. La acción conjunta de estos factores lleva a una dispersión en los datos, no obstante se obtiene el comportamiento esperado. En esta línea y debido a que, como se señala en la introducción de este informe, los límites de Atterberg son caracterizados por criterios arbitrarios, entonces el valor obtenido es un buen punto de referencia para diferenciar su comportamiento semi-líquido de su comportamiento plástico. Para el ensayo de determinación del límite plástico la arbitrariedad en la definición de los criterios de caracterización se traduce en la obtención de valores que parecieran tener una gran dispersión. Los factores nombrados anteriormente también pueden afectar los resultados de este ensayo. No obstante, el fin de la realización de estos ensayos en el laboratorio, y en particular este último en terreno, es la determinación de cambios en los comportamientos del suelo frente a distintos niveles de humedad. Por lo tanto, es más correcto hablar de rangos aproximados de humedades entre los que un suelo tiene un determinado comportamiento. Informe de Laboratorio N 2 °
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Referencias
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Referencias [1] ASTM STANDARD D2487 (1998) Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes . ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003. [2] ASTM STANDARD D4318 (2010) Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils . ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003. [3] BOWLES, JOSEPH E. Manual de laboratorio de suelos en Ingeniería Civil. Segunda edición, 1980, McGraw Hill, pp 15-25. [4] HOLTZ, ROBERT D. An introduction to geotechnical Engineering. 1981, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, pp 49-53
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