1.3. DETERMINACION DE LOS LIMITES DE ATTERBERG. Los suelos que poseen algo de cohesión, según su naturaleza y cantidad de agua, pued en 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 e stado varía de un suelo a otro. El método usado para medir estos límites se conoce com o 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 separ ación arbitraria, pero suficiente en la práctica, entre los cuatro estados mencionad os 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, exp resado en porcentaje. Límite plástico (LP). Humedad de un suelo remoldeado, límite ent re los estados plástico y semi-sólido, expresado en porcentaje. Límite de contracción (L C). 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 LC Semi - sólido LP Plástico LL Semi - Líquido Líquido Además, se define el índice de plasticidad (IP) como la diferencia entre el límite líqui do y el límite plástico (IP = LL - LP). 1.3.1. Determinación del límite líquido según NCh 15 17/I Of. 1979. El límite líquido está definido, como el contenido de humedad con el cu al una masa de suelo colocada en un recipiente en forma de cuchara (aparato de C asagrande), se separa con una herramienta patrón (ranurador), se deja caer desde u na altura de 1 cm. y sufre el cierre de esa ranura en 1 cm. después de 25 golpes d e la cuchara contra una base de caucho dura o similar. Casagrande (1932), determ inó que el límite líquido es una medida de resistencia al corte del suelo a un determi nado contenido de humedad y que cada golpe necesario para cerrar el surco, corre sponde 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 qu e 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 p lástico 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 evap oración de porcelana de 120 mm. de diámetro. - Espátula hoja flexible de 20 mm. de anc ho y 70 mm. de largo. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regu lable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Balanza de precisión de 0,01 gr. - Herramien tas 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 homogén ea. Esta muestra debe curarse durante el tiempo que sea necesario para lograr un a adecuada distribución de la humedad. Se coloca el aparato de límite líquido sobre un a 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 c on la espátula, de modo que la altura obtenida en el centro sea de 10 mm. y la mas a ocupe un volumen de 16 cm3 aproximadamente. Una vez enrasado, se pasa el acana lador para dividir la pasta en dos partes, a través de un surco de 63 mm. de longi tud. Si se presentan desprendimientos de la pasta en el fondo de la taza, se deb e retirar todo el material y reiniciar el procedimiento. Cuando se tiene el surc o, se gira la manivela del aparato con una frecuencia de 2 golpes por segundo, c ontando el número de golpes necesarios para que la ranura cierre en 10 mm. de long itud en el fondo de ella (secuencia en la figura 1.11.). Finalmente, se toman ap roximadamente 10 grs. del material que se junta en fondo del surco para determin ar 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 d e obtener tres puntos que varíen en un rango de 15 a 35 golpes (ideal es tomar 5 p untos). Es importante señalar que el ensayo se debe realizar desde la condición más húme da 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 ensa yo de humedad. Construir un gráfico semi-logarítmico, donde la humedad será la ordenad a (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 r ecta llamada curva de flujo, pasando tan aproximadamente como sea posible por di chos puntos. Expresar el límite líquido (LL) del suelo, como la humedad correspondie nte a la intersección de la curva de flujo con la abscisa en 25 golpes, aproximand o al entero más próximo. Este dato también puede interpolarse matemáticamente con N=25 g olpes, 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 cucha ra, 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 Casagr ande, tiene la ventaja de permitir un mejor control de la profundidad de la past a de suelos en la cuchara, en cambio la de ASTM es mejor para suelos con bajo lími te líquido, en los cuales es generalmente difícil hacer la ranura, como sucede con m ateriales arenosos y limosos. Para éstos suelos, sería incluso necesario formar parc ialmente la ranura con la ayuda de la espátula, después de lo cual la ranura puede s er retocada con cualquiera de los ranuradores patrón. - La altura de caída de la cuc hara debe ser verificada antes de comenzar un ensayo, utilizando el mango de cal ibre 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 obtene r 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 p uede eliminarse. En suelos arcillosos el acanalador será pasado una vez, en cambio para limos se requerirán 2 a 3 pasadas, limpiando cada vez el acanalador. 1.3.2. Otros métodos para determinar el límite líquido.
Método por un punto. Este método es aplicable principalmente en control de faenas, c uando se ha determinado la curva de flujo por el método mecánico y cuando las especi ficaciones particulares para el suelo a ensayar así lo indiquen. El procedimiento es idéntico al método anterior, solo que la muestra debe prepararse con una consiste ncia tal que requiera de 20 a 30 golpes para cerrar la ranura (debe haber a lo m enos dos resultados consecutivos semejantes antes de aceptar una prueba, registr ando el número de golpes N). La humedad de la muestra, deberá tomarse de la prueba a ceptada. Una vez determinado el contenido de la humedad, el punto obtenido se de be confrontar con la curva de flujo predeterminada para el tipo de suelo. Se cal cula expresión: LL = el límite b líquido ( % ) (LL), mediante la siguiente ( (N / 25)tg )* 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 d e 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 hu medades 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 d el punto de corte de esta recta con los 25 golpes. El laboratorio José Luis Escari o del CEDEX en España concluyó que el método de un punto es más exacto que el de dos pun tos, dado que la recta se obtuvo de métodos estadísticos y es libre de errores accid entales, en cambio el método de dos puntos, traza la recta empíricamente y los punto s están sujetos a errores accidentales. Método del cono del Instituto Tecnológico de G eorgia. Este aparato (figura 1.12.) sirve para determinar el límite líquido por medi o de un cono que pesa 75 grs. el cual penetra en el suelo. El límite líquido se defi ne como la humedad que posee el suelo cuando la penetración es de 10 mm. Para evit ar efectos dinámicos, se frena la caída del peso hasta 10 segundos después del comienz o 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 D e 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. 19 79. El límite plástico se ha definido arbitrariamente como el contenido de humedad d el suelo al cual un cilindro de éste, se rompe o resquebraja al amasado presentand o 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 compara ción y establecer el momento en que el suelo se resquebraja y presenta el diámetro e specificado. La muestra necesaria para realizar este ensayo deberá tener un peso a proximado de 20 grs. y pasar completamente por el tamiz de 0,5 mm. (malla Nº 40 AS TM).
- 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. o mármo l como superficie de esmerilado - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantene rse en 110º ± 5º C. Patrón de comparación, puede usarse un alambre ó plástico de 3 mm. de diá ro. Balanza de precisión de 0,01 gr. Probeta de 25 ml. de capacidad. Herramientas y accesorios. recipientes herméticos. Malla Nº 40 ASTM, agua destilada y Procedimiento. La idéntica a la descrita misma muestra que se de suelo se vuelva l o una esfera. 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 moldear la como Se toma una porción de suelo de aproximadamente 1 cm3, se amasa entre las manos (f igura 1.14.) y se hace rodar con la palma de la mano o la base del pulgar, por s obre 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 cilindr o, 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 recons tituido (figura 1.15.). El contenido de humedad que tiene el suelo en ese moment o representa el límite plástico, el cual se determina colocando las fracciones de su elo 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 d eterminaciones realizadas. Calcular el índice de plasticidad expresión: IP = LL - LP = = ( % ) límite líquido del suelo (%) límite plástico del suelo (%) (IP), mediante la siguiente donde: LL LP Con los datos de LL, LP y la humedad natural (w) del suelo, calcular el índice líqui do (IL) y el índice de consistencia (IC) del suelo, mediante las siguientes expres iones: IL IC = ( w - LP ) / IP = ( LL - w ) / IP - Observaciones. Esta determinación es subjetiva por la cual el operador debiera s er el mismo para todas las determinaciones y de este modo evitar dispersión en los resultados obtenidos. La falla o resquebrajamiento del cilindro se puede defini r de las siguientes maneras: simplemente por separación en pequeños pedazos, por des prendimiento 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 pr esión de la mano cuando se llega a 3 mm. de diámetro. Los suelos de muy baja plastic idad 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 rea lizar 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 nega tiva (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 cam bios de volumen en el suelo que podrían provocar problemas posteriores. Sin embarg o, para obtener una indicación cuantitativa de cuanto cambio de humedad puede pres entarse (antes de tener un cambio de volumen significativo y para obtener una in dicación 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 e ntre la condición de saturación completa (pero no absolutamente necesario) y la hume dad 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 volum en global de la muestra (o relación de vacíos). A partir de ese valor límite en el con tenido de humedad, es posible producir cambios adicionales en el volumen del sue lo 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. Regl a 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 fo ndo 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 recipien te 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 Balanza de 0,01 gr. de precisión. Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable ca paz de mantenerse en 110º ± 5º C. Mercurio destilada. suficiente para llenar la taza d e vidrio y agua ml. Procedimiento. El molde se calibra pesándolo (Mr) y obteniendo su capacidad volumétr ica. Para esto último, se llena con mercurio, se enrasa, se pesa (Mm) y se determi na 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 (V h), aproximando a 0,01 cm3. Se toma la muestra de ensayo completamente homogeniz ada 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 sufic ientemente consistente para colocarlo en el molde sin inclusión de burbujas de air e. La humedad necesaria para alcanzar la consistencia requerida es ligeramente s uperior al límite líquido y en suelos plásticos puede exceder hasta en un 10% dicho va lor. A continuación es necesario curar la muestra al menos 24 horas para que se me zclen 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 d e 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 ma terial 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 e l suelo húmedo compactado (Mh) y se deja secar al aire hasta que la pastilla de su elo moldeado se despegue del molde o cambie de color oscuro a claro, la que se s eca dentro del horno hasta masa constante y se determina el peso del molde con e l suelo seco (Ms). El secado primario (al aire), se realiza con el fin de reduci r la posibilidad de que el suelo se fracture formándose grietas en él debido al viol ento cambio de temperatura en el horno. Finalmente, se debe obtener el volumen d e 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 evaporac ión (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 bord e 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 volum en de la pastilla de suelo seco (Vs), aproximando a 0,01 cm3
- Cálculos. Calcular la humedad del suelo mediante la siguiente expresión: w = (w) a l momento de moldear, ( Mh - Ms ) / ( Ms - Mr ) * 100 ( % ) donde: Mh Ms Mr = 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 = w - ( Vh - Vs ) / ( Ms - Mr )* γw * 100 ( % ) donde: Vh Vs γw = volumen de la pastilla de suelo húmedo (cm3) = volumen de la pastilla de suelo s eco (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 (1 3,57 grs/cc) Calcular el volumen del suelo seco (Vs): Vs = (M2 - M1) / donde: M1 = peso del γm plato ( cm3 ) de porcelana más mercurio desplazado (grs.) M2 = Peso del plato de porcelana (grs.) Calcular la relación de contracción (R), com o la relación entre un cambio de volumen dado y su correspondiente cambio en la hu medad 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 ex presiones: R Vc = (Ms - Mr) / Vs = (w - LC )* R ( % )
Calcular la relación de contracción lineal del suelo (LS), definida como la disminuc ión 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 LABORAT ORIO 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 Pe so 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 LABORAT ORIO 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 recipien te Peso suelo seco Peso agua Contenido de humedad ( % ) Determinación del límite plástico 1 2 3 4 5 Límite plástico (LP ) = Indice de plasticidad ( IP ) = Indice de consistencia ( IC ) = (%) Observaciones:
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORAT ORIO 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 Pes o 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 vid rio con mercurio remanente Volumen suelo húmedo Volumen suelo seco Límite de contracción = Relación de contracción = % Cambio volumétrico = Contracción lineal = % % Observaciones :
