CONSISTENCIA DE SUELOS LIMITES DE ATTERBERG-PLASTICIDAD OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Estudiar la relación entre el limite líquido y el limite plástico que da como resultado el índice de plasticidad y a la vez determinar si el suelo coluvial tiene plasticidad. OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar el limite líquido y el limite plástico de una muestra de suelo coluvial. Determinar el índice de plasticidad de suelo coluvial. Realizar el procedimiento para la determinación de los límites de Atterberg mediante el dispositivo de Casagrande.
FUNDAMENTO TEORICO: Consistencia del Suelo - Límites de Atterberg - Límite Líquido
El límite líquido es el contenido de agua, expresado en porcentaje respecto al peso del suelo seco, que delimita la transición entre el estado líquido y plástico de un suelo remoldeado o amasado. En las imágenes a continuación podemos observar un esquema hipotético del estado de un suelo antes y después del ensayo de Límites de Atterberg:
Estructura del Suelo Inalterado
Estructura del Suelo Remoldeado o Amasado Se define como el contenido de agua necesario para que la ranura de un suelo ubicado en el equipo de Casagrande, se cierre después de haberlo dejado caer 25 veces desde una altura de 10 mm. También puede definirse como el menor contenido de humedad de un suelo que puede fluir por vibración. El límite líquido como fue definido por Atterberg ha estado sujeto a distintas variaciones en su determinación. Fue Terzaghi, quien le sugirió a Casagrande en
1927, que diseñara un dispositivo mecánico que pudiera eliminar en lo posible los errores del operador en la determinación del mismo (figura 1).
Figura 1. Dispositivo Básico de Casagrande Casagrande desarrolló un dispositivo normalizado como se muestra en la Figura 2 y descrito por la norma ASTM D 423 excepto por el acanalador utilizado. El límite líquido se estableció como el contenido de agua de un suelo cuando para 25 golpes ejercidos por la caída de la taza (a razón de 2 golpes por segundo) desde la altura de 1 cm., dos secciones determinadas de suelo separadas por una ranura normalizada de 2 mm de espesor en su parte inferior y 11 mm en su parte superior y una altura de 8 mm, cerraran en una distancia de ½ pulgada a lo largo de la parte inferior de la ranura.
La altura de caída, como las dimensiones del cascador y las dimensiones de la ranura, como el material de la base, etc.; son factores de influencia en los resultados obtenidos.
Para entender el significado del ensayo mediante el dispositivo detallado en la Figura 2, podemos decir que para golpes secos, la resistencia al corte dinámica de los taludes de la ranura se agota, generándose una estructura de flujo que produce el deslizamiento (ver Figura 3). La fuerza resistente a la deformación puede considerarse como la resistencia al corte de un suelo. La resistencia al corte de todos los suelos en el límite líquido es constante y tiene un valor aproximado de 22 g/cm².
La Curva de Flujo Casagrande observó que el número de golpes necesarios para cerrar la ranura dependía del contenido de agua del suelo y que cuando una serie de resultados de un suelo se representa en un gráfico donde el eje de la humedad es aritmético y el eje del número de golpes es logarítmico, esos resultados forman una línea recta. Esa curva fue llamada curva de flujo. Las ventajas de graficarla de este modo son: la curva puede ser dibujada con pocos puntos, se pueden detectar más fácilmente los errores en una línea recta (escala semi logarítmica) que en una línea curva (escala aritmética) y el índice de flujo puede ser definido por la pendiente de la recta (ver Fig.4).
Esta curva puede ser representada por la siguiente ecuación: ω = - F Log N + C (1) donde: ω : contenido de humedad en porcentaje de suelo seco. F : constante, llamada “índice de flujo”. N : número de golpes. C : constante. El numero de golpes “N” puede ser considerado como representada por la fuerza igual a N veces la fuerza ejercida en la aplicación de un solo golpe. La resistencia al corte de un suelo es obviamente proporcional a la fuerza requerida para producir una deformación dada (en nuestro caso el cierre de la ranura). Entonces, el número de golpes “N” de la ecuación (1), puede ser tomado como proporcional a “s”, la resistencia al corte de un suelo, y puede ser escrita como: ω = - F Log s + C1 (2) Donde “C1” es diferente a “C” debido a que “s” está expresado en unidades físicas. LIMITE PLÁSTICO La prueba para la determinación del límite plástico como la definió Atterberg, no especifica el diámetro a que se debe llegar al formar el cilindro de suelo requerido. Terzaghi agrego la condición de que el diámetro sea de 3mm. La formación de los rollitos se hace usualmente sobre una hoja de papel totalmente
seca, para acelerar la perdida de humedad del material; es frecuente efectuar el rolado sobre una placa de vidrio. Cuando los rollitos llegan a los 3mm, se doblan y presionan, formando una pastilla que vuelve a rolarse, hasta que en los 3mm ocurra el desmoronamiento y agrietamiento; en tal caso se determina su contenido de agua que es el límite plástico. INDICE DE PLASTICIDAD Ip El Índice de plasticidad se define como la diferencia numérica entre el Limite Liquido y el Limite Plástico:
Un Índice de plasticidad bajo, como por ejemplo del 5%, significa que un pequeño incremento en el con tenido de humedad del suelo, lo transforma de semisólido a la condición de líquido, es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad. Por el contrario, un índice de plasticidad alto, como por ejemplo del 20%, indica que para que un suelo pase del estado semisólido al líquido, se le debe agregar gran cantidad de agua. En suelos no plásticos, no es posible determinar el Índice de plasticidad. El día grama de plasticidad indicada en la figura 1.7, según los Límites de Atterberg, permite diferenciar - el índice de plasticidad de limos y arcillas, en función del Limite Liquido LI. y del contenido normal de humedad WN.
Diagrama de Plasticidad según los Límites de Atterberg El Índice de plasticidad define el campo plástico de un suelo y representa el porcentaje de humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plástico. Este valor permite determinar los parámetros de asentamiento de un suelo y su expansividad potencial Características del Suelo Derivadas del Límite Líquido 1. Elevado LL – Alto contenido de arcilla; Bajo LL – Alto contenido de arena 2. Elevado LL – Baja capacidad portante; Bajo LL – Elevada capacidad portante 3. Suelo típico rico en arcilla --> LL = 40-60%; no obstante puede ser > 100% (más de la mitad de la masa es agua). 4. LL y a. b.
(tan ) están inversamente relacionadas.
= 30° --> LL = 40% = 6° --> LL = 80%
5. Arcillas duras son aquellas con bajo LL (y elevado IP) 6. Arcillas blandas son aquellas con elevado LL (y bajo IP)
La relación entre el Límite Líquido y el Índice de Plasticidad ofrece importante información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla. ¿Por qué 25 golpes para el Límite Líquido? Como es sabido, la resistencia a esfuerzo cortante, o cohesión, no es un valor intrínseco del suelo, depende de las tensiones soportadas en el pasado y de la humedad. Al aumentar la humedad disminuye la cohesión, es intuitivo, si se sigue añadiendo agua al final el conjunto deja de ser plástico y pasa a ser líquido. Pues bien, justo en ese punto, cuando la humedad coincide con el Límite Líquido, "casi todos" los suelos presentan la misma cohesión o resistencia a corte: 2,50 kN/m². Por esa razón da 25 golpes la cuchara (también llamada cazo o copa) de Casagrande, porque está diseñada para crear un esfuerzo de 0,1 kN/m² en cada golpe, es decir, que si el suelo rompe a 25 golpes es que está en su Límite Líquido. Lo malo del método: que ni todos los suelos son iguales ni la resistencia a corte es exactamente de 2,50 kN/m², digamos que oscila entre 1,10 y 3,20 kN/m². que darle golpes al suelo es un ensayo dinámico, algo totalmente desaconsejado para materiales arcillosos en casi todos los textos y normativas que el propio Arthur Casagrande, el mismo que propuso el "invento" en 1932, planteó en 1958, tras 25 años de pruebas, cambiarlo por algún otro ensayo que presentara menos errores, aunque como dice en las páginas de Géotecnique de aquel año "Desafortunadamente, por ahora ninguno de estos ensayos está lo suficientemente simplificado como para competir, en simplicidad y coste, con el actual". la norma British Standard propone un material distinto para la superficie de rebote de la cuchara, obteniendo valores más bajos, algo a tener en cuenta si se
usan correlaciones de suelos británicos, como las arcillas de Londres, por ejemplo. Lo bueno del método: Que confirma algo muy interesante: Si la cohesión de un suelo natural depende de su humedad y del historial de tensiones, como al molerlo y amasarlo para hacer el ensayo se rompe toda su estructura anterior, la cohesión ya sólo tendría que depender de la humedad. Y eso es justamente lo que ocurre, si representamos la cohesión remoldeada frente al índice de liquidez (ese que nos indica en qué posición real nos encontramos respecto de los límites), se observa esa dependencia (que todavía se ajusta mucho mejor si se usa el método del cono, con menor dispersión).
Conclusión: La resistencia al corte de una arcilla amasada depende sólo de su índice de liquidez, y como dice el Tomo I del Geotecnia y Cimientos, "Desgraciadamente, para muestras inalteradas no existe una relación parecida, que pudiera servir al menos para tanteos".
Claro que, si los índices de plasticidad son algo intrínseco del suelo... ¿sería posible entonces obtener la carga de hundimiento de un suelo a partir de los límites de Atterberg? La respuesta es SI... pero lo barato sale caro. MATERIALES, EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y APARATOS UTILIZADOS EN LA PRACTICA Para la realización de la práctica de determinación de consistencia de los suelos se requirió de los siguientes materiales: TAMIZ N 40 utilizado para la separación de materiales gruesos.
BALANZA utilizado para la determinación de pesos con una precisión de 0,01 g.
PLATOS utilizados para el manejo y para la mezcla de la muestra de suelo con agua.
TARAS utilizados para la separación de 6 diferentes pequeñas muestras cada una con sus propias características.
EQUIPO CASA GRANDE instrumento manual utilizado para la determinación del límite líquido de una determinada muestra, el cual consiste en generar
golpes precisos. RANULADOR utilizado para generar ranura en la pasta de suelo.
BASE DE VIDRIO utilizado para formar pequeños cilindros de pasta.
ESPATULA utilizado para el manejo de la muestra.
METODOLOGIA En primer lugar se procedió al tamizado de la muestra por el tamiz N 40 con el fin de separar material grueso el cual se desechó y se trabajó con el material que paso por el tamiz. Obteniendo una cantidad mínima de 100 gramos.
Para la determinación del límite liquido se procedió de la siguiente manera: Se depositó la muestra tamizada en un plato al cual se le agrego agua, utilizando la espátula se mezcló la muestra hasta alcanzar una pasta suave.
Se ubicó el instrumento de casa grande en un lugar firme, con ayuda de la espátula se colocó una porción de pasta en la capsula o copa de casa grande y viendo que la pasta quede puesta horizontalmente.
Se procedió a generar una ranura en medio de la pasta con el ranurador, corrigiendo cualquier imperfección que podría afectar se sometió a la generación de golpes con el aparato casa grande, tratando de generar dos golpes por segundo se contabilizo el número de golpes hasta percibir una unión en la parte inferior de la ranura.
Se procuró obtener tres sesiones de rango diferente de golpes con diferentes pastas(una más pastosa que otra), una de 15 a 20 golpes, otro de 20 a 25 golpes y finalmente de 25 a 30 golpes. De cada muestra de pasta ya sometida a los golpes se apartó una pequeña muestra de pasta en una tara para luego pesar la tara e introducir la tara en el
ornó con el fin determinar la cantidad de humedad.
PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACION DEL LIMITE PLASTICO A la muestra ya tamizada y ya preparada con agua se le agrego material seco asta adquirir una consistencia plástica,
Se separó una porción de material para con las manos formar pequeñas pelotitas y luego utilizando la base de vidrio se formó pequeños cilindros de
por lo menos 3 mm de diámetro.
Se procedió a la inspección de pequeñas grietas en los cilindros si en caso de apreciar dichas grietas esto significaba que la muestra se encuentra en el límite plástico. Y se seleccionó las secciones que presentaban el agrietamiento colocándolas en taras las cuales se las peso e introdujo al horno.
CALCULOS
Cálculos del limite liquido
DESCRIPCION
LIMITE LIQUIDO
Tara N°
1
2
3
N° de golpes
19
23
28
58,3
71
63,9
Suelo humedo + tara
(gr)
suelo seco + tara
(gr)
50,6
61,2
55,4
peso del agua
(gr)
7,7
9,8
8,5
peso de la tara
(gr)
20,3
22
20,6
peso suelo seco
(gr)
30,3
39,2
34,8
porcentaje de humedad
(%)
25,41
25,00
24,43
GRAFICA DEL LIMITE LIQUIDO VS %CONTENIDO DE HUMEDAD
LIMITE LIQUIDO 26
% CONTENIDO DE HUMEDAD
25.8 25.6 25.41
25.4 25.2 25
25.00
24.8 24.6 24.43
24.4 24.2 24
1
10 NUMERO DE GOLPES
100
OBTENCION DEL LIMITE LIQUIDO
DE LA GRAFICA SE OBTIENE LIMITE LIQUIDO ALOS 25 GOLPES LL= 24.75%
DE LA ECUACION DE LA RECTA TAMBIEN SE OBTIENE LIMITE LIQUIDO 𝐿𝐿 = −2.548 ∗ ln(25 𝐺𝑂𝐿𝑃𝐸𝑆) + 32.9 𝐿𝐿 = 24.7641%
CALCULOS DEL LIMITE PLASTICO DESCRIPCION Tara N° Suelo humedo + tara (gr) suelo seco + tara (gr) peso del agua (gr) peso de la tara (gr) peso suelo seco (gr) porcentaje de humedad (%) promedio del porcentaje de humedad
LIMITE PLASTICO 1 2 3 25,8
24,4
45,9
25,1
23,8
45,2
0,7
0,6
0,7
21
20,7
42,1
4,1
3,1
3,1
17,07
19,35
22,58
19,67
RESULTADOS 𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 LIMITE LIQUIDO LL= 24,7641
LIMITE PLASTICO LP= 19.67
INDICE PLASTICO IP= 5,0941
NOTA: SE USO EL DATO DEL LIMITE LIQUIDO DE LA ECUACION POR MOTIVO DE QUE TIENE MAS PRESICION
CONCLUSIONES Después de realizar la práctica se llegar a las siguientes conclusiones.
El límite líquido da una idea de la resistencia del suelo al corte, así, cuando el contenido de humedad sea aproximadamente igual a mayor a éste, tendrá una resistencia al corte prácticamente
Una conclusión que se puede deducir de la simple observación, es que el límite líquido (en su fase experimental), puede decirse que hay una directa relación entre el contenido de agua (humedad) y el número de golpes en el aparato de Casagrande, existe una proporcionalidad inversa, ha mayor contenido de humedad, menor número de golpes y viceversa.
Otra conclusión Para el respectivo calculo del limite liquido existen 2 formas para sacar el limite liquido del suelo (gráficamente y usando la ecuación de la recta|) usando estos dos métodos salieron resultados con similitud aproximada pero se pudo observar el método de mayor exactitud es usando la ecuación de la recta.
Como conclusión final nuestro suelo coluvial tiene plasticidad y de acuerdo a parámetros establecidos en la teoría según el índice de plasticidad 5,0941 es un suelo con baja plasticidad. LIMITE LIQUIDO LL= 24,7641
LIMITE PLASTICO LP= 19.67
INDICE PLASTICO IP= 5,0941
RECOMENDACIONES
Para obtener los pesos exactos es necesario calibrar la balanza.
También es necesario tener cuidado con los instrumentos utilizados.
Es muy importante por la ranura sea la suficiente para producir un efecto notorio con los golpes.
La determinación del límite plástico, no es lo suficientemente científico, de ahí que se hace necesario una mayor preparación y observación de los detalles referentes al ensayo.
Al momento de ejecutar los golpes este debe de hacerse a velocidad cte y según las normas descritas en las referencias.
El operador debe ser el mismo pues un cambio del mismo puede significar un error significativo por las revoluciones que pueden variar.
CUESTIONARIO Una vez que se hayan realizado los ensayos, responder las siguientes preguntas 1. Realice un breve comentario sobre los métodos utilizados, haciendo notar sus curiosidades y sugerencias acerca del ensayo realizado Utilizando el instrumento casa grande se puede decir que es un método muy eficaz, sencillo y de corto tiempo para realizar la práctica de límite liquido Ya que puede ser utilizado para determinar el LL. en suelos arcillosos y coluviales Para la determinación del límite plástico se pudo observar verdaderamente que a los 3mm aparecen unas pequeñas grietas para este método se aconseja realizar con mucha paciencia al momento de realizar los pequeños rollitos ya que se necesita mucho tiempo sobre todo en suelos coluviales 2. Explique cuál es el significado de LL, LP Y LC? LL: es un contenido de humedad (%) que presenta un suelo cuando a los 25 golpes del aparato de Casagrande, sr cierra la abertura hecha con un ranurador que se encuentra normalizado. LP: es un contenido de humedad (%) que tiene el suelo cuando el mismo empieza a producirse grietas y desmoronamientos, al construir con la mano pequeños cilindros de 3mm de diámetro.
LC: es un contenido de humedad (%) cuando alcanza su volumen mínimo teórico al secarse viniendo de la saturación 3. Que es la plasticidad de un suelo y de que depende? La plasticidad es la propiedad que presentan los suelos de poder deformarse hasta cierto límite sin romperse. la plasticidad depende del contenido humedad que pueda tener el suelo 4. Explique cuando se puede decir que el suelo no tiene plasticidad? Se determina atreves del índice de plasticidad: Índice de plasticidad: Es un parámetro físico que se relaciona con la facilidad de manejo del suelo, por una parte, y con el contenido y tipo de arcilla que presenta en el suelo, Por otra: Se obtiene de la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico: IP = LL – LP > 10 plástico. IP = LL – LP < 10 no plástico.
5. Porque existe la necesidad de calcular los límites de plasticidad de un suelo. Los límites de plasticidad se utilizan para caracterizar el comportamiento de los suelos finos, aunque su comportamiento varía a lo largo del tiempo. Los límites se basan en el concepto de que en un suelo de grano fino solo pueden existir cuatro estados de consistencia según su humedad. Así, un suelo se encuentra en estado sólido, cuando está seco. Al agregársele agua poco a poco va pasando sucesivamente a los estados de semisólido, plástico, y finalmente líquido. Los contenidos de humedad en los puntos de transición de un estado al otro son los denominados límites de Atterberg
6. Que es la curva de fluidez y de que depende?
La Curva de Flujo: Casagrande observó que el número de golpes necesarios para cerrar la ranura dependía del contenido de agua del suelo y que cuando una serie de resultados de un suelo se representa en un gráfico donde el eje de la humedad es aritmético y el eje del número de golpes es logarítmico, esos resultados forman una línea recta. Esa curva fue llamada curva de flujo.
Las ventajas de graficarla de este modo son: la curva puede ser dibujada con pocos puntos, se pueden detectar más fácilmente los errores en una línea recta (escala semilogarítmica) que en una línea curva (escala aritmética) y el índice de flujo puede ser definido por la pendiente de la recta
