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PLASTICIDAD DE LOS SUELOS
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Pla Plastic sticid idaad de los los sue suelos los Existen
suelos
remoldados,
que
al
ser
cambiando
su
contenido de agua si es necesario, característica, que desde épocas antiguas
se
ha
denominado
plasticidad. Estos suelos han sido llam llamad ados os arcil arcilla las, s, orig origin inal alme ment nte, e, por los hombres dedicados a la cerámica. �������� �� ������ �
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La plasticidad es, en este sentido, una propiedad tan evidente que ha servido para
clasificar
suelos
puramente descriptiva.
en
forma
Al tratar de
definir en términos simples la plasticidad de un suelo, no resulta suficiente decir que un suelo plástico puede deformarse y remo remold ldea earse rse sin sin agri agriet etam amie ient nto, o, pues pues una arena ena fina y húmeda tiene esas características cuando la deformación se produce lentamente y sin embargo, no es plástica. �������� �� ������ �
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La plasticidad es un fenómeno inherente a los suelos de partículas muy fina finas, s, limos limos y arcil arcilla las. s. En la peri perife feria ria de las las part partícu ícula lass tien tienee efec efecto to un fenómeno eléctrico superficial, ya que ésta posee carga negativa y por tant tanto, o, atra atraee los los ione ioness posi posititivo voss del agua agua.. Debi Debiddo a esta estass fue fuerzas rzas electrostáticas, el fenómeno produce una interacción de las partículas, por lo que tienden a permanecer y moverse unidas. La plasticidad es, pues, una consecuencia directa se estos fenómenos.
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Por lo tanto la plasticidad puede definirse como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote
elástico,
sin
variación
volumétrica
apreciable
y
sin
desmoronarse ni agrietarse. Con esta definición se logra circunscribir la propiedad a las arcillas en ciertas circunstancias. Los suelos arcillosos, especialmente los muy plásticos, se retraen mucho cuando se secan y se expanden cuando se humedecen, es decir hay cambio de volumen en el suelo.
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Esta Estado doss de cons consis iste tenc ncia ia La consistencia de un suelo se define como su resistencia al esfuerzo cortante; es la oposición que presenta la masa de suelo a que se le deforme. Para medir la plasticidad de las arcillas se han desarrollado varios criterios de los cuales se menciona el desarrollado por Atterberg, quien considera que la plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua.
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Una Una arci arcillllaa muy muy seca seca puede uede ten tener la cons consis iste tenncia cia de un lad ladrill rilloo, con con plasticidad nula, y esa misma, con gran contenido de agua, puede presentar las propiedades de un lodo semilíquido o, inclusive, las de una suspensión líquida. Entre ambos extremos, existe un intervalo del contenido de agua en que la arcilla se comporta plásticamente. El contenido de agua con que se produce el cambio de estado varía de un suelo a otro y en mecánica de suelos interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades, para el cual el suelo presenta un comportamiento plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad). ( plasticidad).
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Según su contenido de agua en forma decreciente, un suelo susceptible de ser plástico puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definido por Atterberg. quido el suelo tiene las propiedades y apariencias de una • Estado líqui suspensión. Estado do Semi Semilí líqu quid ido o el suelo present • Esta presentaa las propied propiedade adess de un fluido fluido viscoso. Estado do Plás Plásti tico co el suelo se comporta plásticamente. • Esta plásticamente. ólido el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero aún • Estado semi sóli disminuye de volumen al estar sujeto a secado. Estado do sóli sólido do el • Esta el volumen del suelo no varia con el secado. �������� �� ������ �
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Límites de consistencia o de Atterberg Los estados estados de consistencia consistencia son fases fases generales generales por las que pasa el suelo al irse secando y los límites de consistencia son son las frontera terass convencionales entre estos estados y están definidos por un contenido de humedad.
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Los límites límites de consisten consistencia cia que se estudia estudia y son de importan importancia cia para ingeniería ingeniería son: son: límite líquido, líquido, límite plástico plástico y límite límite de contracción. contracción. El método usado para medir estos límites de humedad fue ideado por Atte Atterb rber ergg a trav través és de ensa ensayo yoss que que defi define nenn los los lími límite tess del del esta estado do lástico. Los límites de Atterberg son propiedades índices de los suelos, con que que se defi define nenn la plast lastic icid idaad y se utili tiliza zann en la iden identitififica caci ción ón y clasificación de un suelo.
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Límit Límitee líquid líquido o Es el contenid contenidoo de humeda humedadd que correspo corresponde nde a la frontera frontera entre entre los estados de consistencia semilíquido y plástico de un suelo.
El lími límite te líqu líquid idoo se dete determ rmin inaa cerr cerran ando do una una ranura practicada en una muestra de suelo en un disp dispos osititiv ivoo llam llamad adoo copa copa de casa casagr gran ande de golpeándola mediante una manivela, un golpe representa la resistencia al esfuerzo cortante de 1 gr/cm2. �������� �� ������ �
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por consiguiente como el límite líquido corresponde al cierre c ierre de la ranura en 25 golpes, entonces el límite líquido indica el contenido de agua para para el cual el suelo tiene una resistencia al corte de 25 gr/cm2. La ran ranura se realiza con un dispositivo de , por caída de 8 mm a 10 mm de la copa a razón de 2 golpes/s, la ranura deberá cerrarse en el fondo de la copa a lo largo de 13 mm.
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Un suelo cuyo contenido de humedad sea aproximadamente igual o mayor a su límite líquido tendrá una resistencia al corte prácticamente nula. Las arcillas tienen LL > 40 % y las arenas y limos tienen LL entre 25% a 35% La resi resist sten enci ciaa al cort cortee en el lím límite ite líqu líquid idoo de los los sue suelos los cohe cohesi sivo voss es constante e igual a 25 gr/cm2, en cambio en el límite plástico no es constante sino que puede variar ampliamente. Los suelos cohesivos cuya curva de fluidez es más tendida, tienen menor índice de fluidez y mayor resistencia en el límite plástico.
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El límite líquido se determina con el ensayo de límite líquido mediante varios puntos o con un solo punto. En el ensayo de límite líquido se determina 3 o más puntos, los cuales se dibujan en papel semilogarítmico, al unir estos puntos se obtiene una recta llamada curva de fluidez cuya ecuación es la siguiente: W = - Fw * log N + C
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W = - Fw * log N + C W : conteni contenido do de de humeda humedadd Fw: índice de fluidez, es la pendiente de la curva igual a la variación del contenido de humedad a un ciclo de la escala logarítmica N: número número de golpes golpes correspondie correspondiente nte al contenido contenido de humedad humedad C : constante que representa la ordenada correspondiente a 1 golpe, se calcula prolongando la recta
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Ensayo: límite líquido Material Suelo seco al aire y que pasa la malla N°40 N°40 Equipo • ° • Copa de Casagrande y ranurador o acanalador • Balanza con aproximación de 0.01 gr. • Estufa con control de temperatura • Espátula • Probeta de 100 ml. • Cápsula de porcelana • Taras �������� �� ������ �
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Procedimiento
• En
una
cápsula
de
porce porcelan lanaa mezcl mezclar ar el suelo suelo con agua mediante una espátula hasta obtener una . • Colo Coloca carr una una porci orción ón de la pasta
en
Casagrande,
la
copa
de
nivelar
mediante la espátula hasta obtener un espesor de 1 cm. �������� �� ������ �
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• En el centro hacer una ranura con el acanalador de tal manera que la muestr stra queda divid vidida en dos partes. • Elevar y caer la copa mediante la manivela a razón de 2 caídas por segundo hasta que las dos mitades de suelo se pongan en contacto en la parte inferior de la ranura y a lo largo de 1 /2 “ ( 1.27 cm), registrar el número de golpes. �������� �� ������ �
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• Median Mediante te la espátula espátula retirar retirar la porción porción de suelo suelo que se ha puesto puesto en contacto en la parte inferior de la ranura y colocarlo en una tara para determinar su contenido de humedad. • Retirar el suelo remanente de la copa de Casagrande y colocar en la cápsula de porcelana, agregar agua si el número de golpes del ensayo anterior ha sido alto, o agregar suelo si el número de golpes ha sido bajo. (el número de golpes debe estar comprendido entre 6 y 35). • Repetir el ensayo mínimo 2 veces más, de esta manera se tendrá como mínimo 3 valores del número de golpes correspondientes a 3 diferentes contenidos de humedad. �������� �� ������ �
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• Dibujar la curva de fluidez ( es una recta) en escala semilogarítmica, en el eje de abscisas se registrará el número de golpes en escala logarítmica, en el eje de ordenadas los contenidos de humedad en escala natural. • Determ Determina inarr la ordena ordenada da correspo correspondi ndient entee a los 25 golpes golpes en la curva curva de fluidez, este valor será el límite líquido lí quido del suelo.
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Ejemplo 1 . Determinar el límite líquido del siguiente suelo suelo Tara W t (gr) W mh + t (gr.) . W w (gr.) W ms (gr.) N° golpes W%
LL1
LL2
LL3
28.27 38.60 .
18.10 29.70 .
30.4 41.4 .
12
19
3
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Límite líquido con un solo punto En lugar de determinar puntos comprendidos entre 6 y 35 golpes, se puede determinar un punto comprendido entre 20 y 30 golpes y determinar el límite líquido con la siguiente expresión LL = K * WN LL : límite líquido K : factor de límite líquido dado en tabla según numero de golpes WN : contenido de humedad correspondiente correspondiente a un determinado número de golpes �������� �� ������ �
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N (número de golpes)
K (factor de LL)
20
0.974
21
0.979
22
0.985 .
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24
0.995
25
1.000
26
1.005
27
1.009
28
1.014
29
1.018
30
1.022 ���������� ���� ��� ����
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Límit Límitee plást plástic ico o Frontera convencional entre los estados semisólido y plástico, que se dete determ rmin inaa alte altern rnaativa tivame ment ntee presi resion onan ando do y enro enrollllan ando do una una pequeña porción de suelo plástico hasta obtener un diámetro de 3 mm en el cual el pequeño cilindro se desmorona, y no puede continuar continuar siendo siendo presionado presionado ni enrollado. enrollado. El contenido contenido de agua que que se encuentra se registra como límite plástico. La
resistencia
al
esfuerzo
cortante en el límite plástico es una medida de la tenacidad.
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Ensayo: límite plástico Una porción de la mezcla preparada para el límite líquido Equipo • Balanza con a roximación de 0.01 r. • Estufa • Espátula • Cápsula de porcelana • Placa de vidrio • Taras
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Procedimiento • A la porción de la mezcla preparada par par el lím límite ite líqu líquid idoo agre agrega garr sue suelo seco de tal manera que la pasta baje su contenido de humedad. • Enrollar Enrollar la muestra con la mano sobre sobre una una placa laca de vid vidrio rio hast hastaa obte obtene nerr cilindros de 3 mm. de diámetro y que presenten presenten agrietamie agrietamientos, ntos, determinar determinar su contenido de humedad. �������� �� ������ �
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• Repetir Repetir el ensay ensayoo una vez vez más. más. • El lími límite te plást lástic icoo es el prome romedi dioo de los los 2 valo valore ress de cont conteenido nidoss de humedad, si la diferencia entre estos 2 valores es mayor que dos puntos de porcentaje, repetir el ensayo. Ejemplo determinar el el límite plástico del del siguiente siguiente suelo Tara W t (gr.) W mh + t (gr.) W ms + t gr.) W w (gr.) W ms (gr.) W% LP (%) �������� �� ������ �
LP 1 28.90 32.90 32.00
LP2 25.80 30.60 29.50
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Ejemplo 1. Determinar el límite líquido y el limite plástico del siguiente suelo
Wt (gr)
LÍMITE LÍQUIDO 16.30 15.53 15.71
LÍMITE PLÁSTICO 15.10 14.64
Wmh + t (gr)
41.30
49.08
48.24
20.48
19.60
Wms + t (gr)
37.45
44.19
43.68
19.81
18.97
16
23
30
Wms (gr) W w (gr) W(%) N.GOLPES L.L - LP
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LÍMITE LÍQUIDO ) % ( D A D E M U H
19
18
E D O D I N E T N O C
17
16
15 1
10
100
NÚMERO DE GOLPES
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Ejemplo 2. Determinar el límite líquido y el limite plástico del siguiente suelos LÍMITE LÍQUIDO 14.39 14.18 14.17
Wt (gr)
LÍMITE PLÁSTICO 14.48 14.48 14.29 14.29
r
48.33
44.41
46.08
22.11 22.11
21.39
Wms + t (gr)
39.46
36.84
38.33
20.58
19.95
15
24
33
Wmh + t Wms (gr) W w (gr) W(%)
N.GOLPES L.L - LP �������� �� ������ �
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LÍMITE LÍQUIDO ) % ( D A D E M U H
36
35
E D
34
O D I N E T N O C
33
32
31 1
10
100
NÚMERO DE GOLPES
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Ejemplo 3. Determinar el límite líquido y el limite plástico del siguiente suelos LÍMITE LÍQUIDO
LÍMITE PLÁSTICO
Wt (gr)
16.67
15.53
14.59
Wmh + t r
49.89
46.81
48.05
Wms + t (gr)
39.92
37.84 .84
38.76
17
25
32
Wms (gr) W w (gr) W(%) N.GOLPES L.L - LP �������� �� ������ �
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LÍMITE LÍQUIDO ) % ( D A D E M U H E D O D I N E T N O C
44 43 42
40 39 38 1
10
100
NÚMERO DE GOLPES
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Lími Límite te de cont contra racc cció ión n Es el contenido de humedad que corresponde a la frontera entre los estados de consistencia sólido y semisólido.
Es el máximo máximo contenido contenido de agua de de un suelo para para el cual una reducción reducción de la humedad no causa disminución de volumen de la masa del suelo.
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Ensayo : límite de contracción Material • Muestra seca que que pasa la malla N°40 N°40 • Mercurio Equipo • Equipo de de límite de contracción: un molde molde cilíndrico con base, un pisón, pisón, dos recipientes de vidrio de diferentes dimensiones, una placa de vidrio con 3 puntas de metal • Balanza con aproximación de 0.1 gr. • Estufa con control de temperatura. • Cápsula de porcelana • Espátula �������� �� ������ �
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Procedimiento • Mezcla Mezclarr el suel sueloo con con agua agua hasta hasta obtene obtenerr una pasta uniforme • Pesar el el recipiente recipiente de de contracció contracciónn (Wt) • Recub cubrir el interior del recipient ente de contracción con vaselina para evitar la adherencia de la muestra. • Colocar en el recipiente de contracción la mue muestra stra en tre tres capa capas, s, en cada cada cap capa golpear el recipiente hasta que el suelo este compactado y se eliminen las burbujas. �������� �� ������ �
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Procedimiento • Pesart el recipiente recipiente de contracción contracción (Wt) • Pesa Pesarr la mue muest stra ra húm húmed edaa con con el reci recipi pien ente te de de contracción (Wt + mh). • Secar Secar la mues muestra tra al al aire duran durante te 6 horas horas,, luego luego colocar a en la estufa a 105 °C durante 18 horas y pesar (Wt + ms)
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• Determi rminar el volumen de la muestr stra húmeda (Vh) , la cual es igual al volumen del recipiente de contracción. - Llen lenar con con merc mercur urio io el reci recipi pieente nte de contracción y enrazar con la placa de vidrio - Vaciar el mercurio en un recipiente graduado para determinar el volumen o de lo contrario pesar el mercurio que ocupó el recipiente y dividirlo entre su densidad.
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• Determinar el volumen de la muestra seca - Llen Llenar ar con mercu mercurio rio el recip recipie ient ntee de vidri vidrioo , enrasar con la placa de vidrio. - Colocar el recipiente de vidrio con mercurio dentro del recipiente recipiente de acero. acero. - umerg r a mues ra en ro e rec p en e e vid vidrio rio con con merc mercur urio io presi resion onán ándo dola la con con la placa de vidrio. - Pesar
el
recipiente
para
el
mercurio
desplazado (Wr) - Pesar el mercurio desplazado y recogido en el recipiente (Wr + Hg) �������� �� ������ �
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• Determinar el peso del mercurio desplazado W Hg = (Wr + Hg) – W
• Determinar Determinar el volumen volumen del mercurio mercurio desplazado desplazado (V Hg) , este es volumen de la muestra seca (Vs). Vs = V Hg = W Hg
,
γ Hg:
13.56
γ Hg
Este volumen también se puede determinar midiendo la cantidad d mercurio desplazado en un recipiente graduado .
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• Determinar el peso de la muestra seca Ws = (Wt + ms) - Wt • Determinar Determinar el contenido contenido de humedad humedad w = (Wh (Wh – Ws) * 100 Ws • Determinar el límite de contracción
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Ejemplo: Determinar el límite de contracción del siguiente si guiente suelo Descripción Wt (gr) Wt + mh (gr) Wt + ms (gr) Wh (gr) s gr V h (cm3) W r (gr) W r + Hg (gr) W Hg (gr) γ Hg (gr/cm3) Vs = V Hg (cm3) w (%) LC. (%) �������� �� ������ �
Datos 25.00 85.20 75.80 32.40 347.00 685.70 13.56
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Clasificación de la plasticidad según límite líquido Plasticidad Baja plasticidad
Límite Líquido < 35%
Plasticidad intermedia
35% - 50%
Alta plasticidad
50% - 70%
Plasticidad muy alta
70% - 90%
Plasticidad extremadamente alta �������� �� ������ �
> 90% ���������� ���� ��� ����
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Clasificación de la plasticidad según índice plástico Plasticidad No plástico Baja plasticidad Medianamente plástico Altamente plástico
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Índice plástico 0% < 7% 7% - 17% > 17%
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Índice plástico (IP) Se define como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico para un suelo dado. IP = LL – LP LL: límite líquido LP: límite plástico Esta diferencia cuantifica la amplitud o extensión del estado plástico de un suelo. Cuando no puede determinarse uno de los límites o la diferencia es negativa, entonces no existe índice de plasticidad y se indica como NP (no plástico) �������� �� ������ �
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Índi Índicce líqu líquid ido o (IL) IL) IL = w – LP IP W : contenido de humedad natural LP: límite plástico
Índi Índicce de consi onsist sten enci ciaa (IC IC)) IC = LL – w IP LL: límite líquido W : contenido de humedad IP: índice plástico �������� �� ������ �
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Cons Co nsis iste tenci nciaa Re Rela lati tivva (C (Cr) r) La cons consis iste tenc ncia ia rela relatitiva va en los los suel suelos os fino finoss es el homól omóloogo de la densidad densidad relativa en los suelos granulares. granulares. Está definida por la siguiente siguiente expresión: Cr = (LL - w) / (LL - LP) Cr = (LL - w) / IP LL: límite líquido W : contenido de humedad natural. LP: límite plástico IP: índice plástico �������� �� ������ �
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Para distintos valores de w, se obtiene los siguientes valores consistencia relativa W > LL, Cr < 0 W = LL Cr = 0 W = LP, Cr = 1 W < LP, Cr > 1
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La consistencia relativa es un parámetro de los suelos finos que nos permite evaluar las condiciones de soporte y mantenimiento de proyectos. Supongamos que se desea realizar el dragado de un canal marino para el proyecto de un puerto. Antes de empezar la ejecución de la obra, el contratista requerirá de los servicios de un ingeniero de suelos, quien procederá a extraer muestras del lecho submarino. A estas muestras se les determinará su contenido de humedad en estado natural (W), el límite líquido (LL) y el límite plástico (LP). Aplicando la fórmula de la consistencia rela relatitiva va,, si se obtu obtuvi vier eraa un valo valorr negat egativ ivoo, este este nos indi indica carí ríaa que que el contenido de humedad natural está por encima del límite líquido y que, por tanto, el suelo no conservaría la forma propia, escurriéndose e imposibilitando el corte y por tanto la ejecución de la obra. �������� �� ������ �
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Cartaa de Pla Cart Plastic sticid idaad de Ca Casa sagr graande nde La carta de plasticidad elaborada por el profesor Arturo Casagrande es un elemento básico en la identificación y clasificación de los suelos. La labor que realizó Casagrande fue llevar a un gráfico una cantidad de muestras con sólo dos parámetros, el límite líquido y el índice plástico. Observó que los materiales homólogos se agrupaban, existiendo así posiciones y fronteras para los distintos tipos de suelo. En la carta de plasticidad, hay seis zonas claramente diferenciables. Estas zonas se encuentran delimitadas por tres líneas denominadas A, B, y C.
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La línea A se define por la ecuación IP = 0.73* (LL-20) . Los suelos en corresponden correspondencia cia con puntos que se encuentran por encima de la línea A, se clasificarán como arcillas inorgánicas. De manera análoga, los suelos inorgánicos que correspondan a puntos que se encuentran por debajo de la línea línea A se clasificarán clasificarán como como limos. Las líneas B y C se encuentran paralelas al eje de las ordenadas en los puntos 30 y 50 % del eje de la abscisas, respectivamente. Estas rectas dividen la carta en tres franjas verticales correspondientes de izquierda a derecha a materiales de baja, mediana y alta plasticidad. Las zonas II y III indicadas en la carta que se muestra, tienen el inconveniente de que clasifican también limos orgánicos y arcillas orgánicas respectivamente. �������� �� ������ �
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Afortunadamente los materiales orgánicos son fácilmente identificables por su color oscuro, estructura esponjosa y a veces olor característico. De esta manera, quedan definidas las zonas de la forma f orma siguiente: I: Limo inorgánico de baja plasticidad II: Limo inorgánico de mediana plasticidad o limo orgánico III: Limo inorgánico de alta plasticidad o arcilla orgánica IV: IV: Arcilla inorgáni inorgánica ca de baja plasticidad plasticidad V: Arcilla inorgánic inorgánicaa de mediana mediana plasticidad plasticidad VI: Arcilla inorgán inorgánica ica de alta plasticida plasticidadd En algunos textos se emplea la palabra compresibilidad en vez de plasticidad en las clasificaciones, ya que lo que es plástico, en principio, también es comprensible. �������� �� ������ �
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