LIMITES DE CONSISTENCIAO DE ATTERBERG

Referencias:Dr. Jorge Alva H.Ing. Ordoez y MinayaY Apuntes de clase CGP

DOCENTE: ING. CARLOS GASPAR P.

CARACTERIZACIN DE LOS SUELOS COHESIVOS

Estructura laminar de la Arcilla, vista al microscopio

IDENTIFICACION Y CLASIFICACION DE SUELOS

DE GRANO FINO.

Suelos con textura fina pueden absorber cantidades

variables de agua y por lo tanto cambiar su densidad (y

algunas veces el volumen).

Como resultado de esta absorcin de agua, el suelo puede

cambiar su estado fsico.

Pasando de un estado de consistencia slido a un estado de

consistencia plstica hasta llegar a un estado de liquidez

(valores ms altos de %). Estos limites de contenido de aguase llaman limites de consistencia del suelo o limites de

Atterberg.

La Consistencia es la resistencia del suelo a ser deformado o

amasado (remoldeado o roto), gobernada por las fuerzas fsicas

de adhesin y cohesin, las cuales dependen del contenido de

humedad del material, es por esto que la consistencia se expresa

en trminos de seca, hmeda y mojada.

Los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden

encontrarse en diferentes estados, dependiendo de su

propia formacin y la cantidad de agua que

contengan.

La arcilla, por ejemplo, si est seca se encuentra

muy suelta o en terrones, aadiendo agua adquiere

una consistencia similar a una pasta, y aadiendo

ms agua adquiere una consistencia fluida.

Al observar en campo, podemos expresar a travs de los

sentidos la consistencia de los suelos y estos vara con:

* La textura

* Presencia de materia orgnica

* Presencia de materia coloidal.

* Su estructura, y

* Contenido de humedad.

Los suelos muestran comportamientos distintos segn cambia

el contenido de humedad.

De acuerdo con esto se pueden esperar que se presenten

cuatro formas esenciales de consistencia de los suelos (se

excluye el estado viscoso).

a) Consistencia Pegajosa; se manifiesta por adherencia ypegajosidad a otros objetos.

b) Consistencia Plstica; manifestada por la elasticidad ycapacidad de ser moldeada.

c) Consistencia blanda y suave; caracterizada por lafriabilidad.

d) Consistencia dura y rgida; se manifiesta con unaconsistencia seca.

La Plasticidad de las Arcillas:

Los lmites de Atterberg (lmites de consistencia de suelos de

grano fino) fueron desarrollados a comienzos del siglo XX por el

sueco Albert Atterberg (1846-1916).

Observ que:

- Que las arcillas mezcladas con gran

cantidad de agua formaban un fluido

apenas viscoso.

- Con menor cantidad de agua se

volva un fluido con una cierta

rigidez que se tornaba pegajoso.

- Con la evaporacin de mayor

cantidad de agua la pegajosidad

desapareca y la arcilla poda ser

deformada como se quisiera.

Existe entonces un punto donde, con el incremento de la

evaporacin, la propiedad de ser deformada se pierde.

De aqu estableci distintos estados de consistencia de los

suelos plsticos.

Atterberg; defini los siguientes estados de consistencia

segn el contenido de agua en orden decreciente, para un

suelo susceptible de ser plstico:

* Estado lquido, con las propiedades y apariencia de

suspensin.

* Estado semilquido, con las propiedades de un fluido

viscoso.

* Estado plstico, en el que el suelo se comporta

plsticamente, es decir se moldea y se deforma sin exhibir

propiedades elsticas, cambios de volumen o

agrietamiento.

* Estado semislido, en el que el suelo tiene la apariencia de

un slido pero disminuye de volumen al ser secado.

* Estado slido, en que el volumen del suelo no vara con el

secado.

Para diferenciar los estados de consistencia antes descritos,

Atterberg estableci lmites que establecan claras

diferencias, los cuales son:

Atterberg propuso tres valores o Constantes:

Lmite superior de plasticidad (lmite lquido): Contenido de

humedad al cual el suelo fluir muy poco al aplicarle una fuerza, o

contenido de humedad en el que el suelo pasa de plstico a viscoso.

Lmite inferior de plasticidad (lmite plstico): Contenido de

humedad al cual el suelo puede ser escasamente arrollado en forma

de fideo (aprox. >3 mm de espesor), o contenido de humedad en el

que el suelo pasa de friable a plstico.

Nmero de plasticidad: Diferencia entre el lmite superior y el

lmite inferior. El nmero de plasticidad se asemeja al ndice de

plasticidad.

Luego sugiri que estos dos lmites sirvieran de base en la

clasificacin de los suelos plsticos. Acorde al valor del ndice

de plasticidad, distingui los siguientes materiales.

Suelos desmenuzables (IP

Posteriormente en 1927 Karl Terzaghi sugiri a A.

Casagrande, que diseara y construyera un

dispositivo mecnico que pudiera eliminar en la

medida de lo posible los errores del operador en la

determinacin del lmite lquido, all naci la idea

del 'Aparato de Casagrande'.

A. CasagrandeK. Terzaghi

Como resultado, se propuso una nueva tcnica, apoyado en

un recipiente de bronce ms un tacn manuable.

Cuchara de Atterberg (1942).

Museo Virtual de la Ciencia

Luego de una exhaustiva investigacin para distinguir

entre limos y arcillas de alta y baja plasticidad;

Casagrande plante la carta de plasticidad, que se

convirti en un componente importante en el Sistema de

Clasificacin de Aeropuertos en 1942 y posteriormente en

el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos SUCS.

En la prctica actual de la ingeniera geotcnica y en la

mecnica de suelos, usualmente se utiliza el lmite lquido (LL

o WL), el lmite plstico (LP o WP) y eventualmente el lmite

de contraccin (SL o WS).

Clculo de los lmites Atterberg Para determinar los lmites de Atterberg el suelo se tamiza

por la malla N40 y la porcin retenida es descartada.

LIMITE LIQUIDO:Es el cambio donde existe un contenido de humedad

con la cual el suelo deja de ser plstico y pasa al

lquido.

Es el contenido de agua, expresado en porcentaje

respecto al peso del suelo seco.

En las imgenes a continuacin podemos observar un

esquema hipottico del estado de un suelo antes y

despus del ensayo de Lmites de Atterberg.

PRUEBA: Ensayo normalizado.

Es el contenido de agua en el suelo necesario para que

la ranura generada en el equipo de Casagrande, se

cierre despus de dejar caer 25 veces desde una altura

de 10 mm. para cerrar la ranura en 12,7 mm.

Equipos de

laboratorio

Una mezcla de suelo y

agua, capaz de ser

moldeada, se deposita

en la cuchara de

CASAGRANDE

Esta propiedad de Lmite

Lquido (L.L) se mide en

el laboratorio:

Luego se golpea consecutivamente contra la base de la

mquina, haciendo girar la manivela, hasta que la zanja

que previamente se ha recortado, se cierra en una

longitud de 12.7 mm.

Si el nmero de

golpes para que se

cierre la zanja es 25,

la humedad del suelo

corresponde al L.L.

La Curva de Flujo

El nmero de golpes necesarios para cerrar la

ranura depende del contenido de agua del suelo y

luego de una serie de resultados de un suelo se

representa en un grafico donde el eje de la humedad

es aritmtico y el eje del nmero de golpes es

logartmico, esos resultados forman una lnea recta.

Esa curva fue llamada curva de flujo.

Dado que no siempre es posible que la zanja se cierre

con 25 golpes, entonces se Grafica el nmero de golpes

en coordenadas logartmicas Vs Humedad en

coordenadas normales, e interpolar para humedad a

25 golpes.

Esta curva puede ser representada por la siguiente

ecuacin:

= - F Log N + C

Donde: : contenido de humedad.F : constante, llamada ndice de flujo.N : nmero de golpes.

C : constante.

* Mtodo de Un Punto

Tiene conexin con la curva de flujo, y todo lo que debe

hacerse es obtener el contenido de humedad n de lamuestra con el cierre de la ranura a cualquier conteo de

golpes N y utilizar la relacin obtenida por la U.S.

Waterways Experiment Station que realiz estudio sobre

767 ensayos de lmite lquido correspondientes a suelos

aluvionales y suelos costeros del Valle de Mississippi:

Caractersticas del Suelo Derivadas del Lmite Lquido

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 tpico rico en arcilla --> LL = 40 - 60%; no obstante

puede ser > 100% (ms de la mitad de la masa es agua)

4. LL y (tan ) estn inversamente relacionadas.

a.- = 30 --> LL = 40%

b.- = 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 relacin entre el Lmite Lquido y el ndice de Plasticidad ofrece

importante informacin sobre la composicin granulomtrica,

comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla.

Por qu 25 Golpes?: la razn de los 25 golpes en la copa

de Casagrande, es porque est diseada para crear un esfuerzo de

0,1 kN/m en cada golpe, es decir, que si el suelo rompe a 25

golpes es que est en su Lmite Lquido.

Pues bien, justo en ese punto, cuando la humedad coincide con el

Lmite Lquido, "casi todos" los suelos presentan la misma

cohesin o resistencia a corte: 2,50 kN/m.

LIMITE PLASTICO:Es el contenido de agua en %, con el cual el suelo deja de

ser plstico y se convierte en un slido semi-plstico o

semislido.

Ejm:

Montmorillonita: WP = 50 a 100; WL = 100 a 900

Illita: WP = 35 a 60; WL = 60 a 120

Kaollinita: WP = 25 a 40; WL = 30 a 110

El lmite plstico se define como el contenido de agua al

cual un rollo de suelo se agrieta cuando es

cuidadosamente enrollado hasta un dimetro de 3.18 mm

(1/8 pl.). Debe fragmentarse en segmentos de 3.0 - 10.0

mm (1/8 - 3/8 pl.) de longitud.

Es decir el Lmite Plstico (L.P) se mide de manera sencilla y

consiste en medir el contenido de humedad para el cual no es

posible moldear un cilindro de suelo, con un dimetro de 3 mm.

PRUEBA: Ensayo normalizado.

Humedad mnima con la cual pueden moldearse cilindros de suelo de 3

mm de dimetro sin que estos se fisuren.

Para esto se realiza una mezcla de agua y suelo, la cual se amasa

entre los dedos o entre el dedo ndice y la superficie de vidrio,

hasta conseguir un cilindro de 3 mm de dimetro.

Al llegar a este dimetro se desarma el cilindro y

vuelve a amasarse hasta lograr nuevamente un

cilindro de 3 mm. Esto se realiza consecutivamente

hasta que no es posible obtener el cilindro de la

dimensin deseada.

Con ese contenido de humedad el suelo se vuelve quebradizo

(por prdida de humedad). Entonces se mide el contenido de

humedad el cual corresponde al LIMITE PLSTICO.

Se recomienda realizar este procedimiento al menos tres veces

para disminuir los errores de interpolacin o medicin.

OJO: Si las tiras pueden enrollarse hasta un dimetro menor,

entonces el suelo est muy mojado (por encima del lmite plstico);

si se agrieta antes de alcanzar los 3.0 mm (1/8 pl.) de dimetro,

entonces se ha sobrepasado el lmite plstico. Cuando los rollos

llegan a 3 mm vuelven a amasarse y enrollar de nuevo hasta que a

los 3 mm se de el desmoronamiento y agrietamiento, en ese

momento se determina el contenido de humedad, equivalente al

lmite plstico.

LIMITE DE CONTRACCION:Humedad a partir de la cual, una perdida de esta, ya no implica

disminucin de volumen en una muestra de suelo preparada en

forma normalizada.

Determinacin del Lmite de Contraccin:

Terzaghi propuso que uno podra medir el volumen seco y la

masa seca y a la vez calcular el contenido de agua en el punto

de mnimo volumen.

Se ilustra el proceso; Una pequea cantidad de suelo de masa

total Mi se coloca en un pequeo recipiente de volumen

conocido Vi y se permite un secado lento. Luego de tener la

masa seca al horno Ms, el volumen se suelo seco Vd se mide

pesando la cantidad de mercurio que la muestra de suelo

desplaza.

El lmite de contraccin se determina de la siguiente manera.

Una masa de suelo hmedo (una pastilla) se coloca en un

plato de porcelana 44,5 mm de dimetro y 12,5 mm de alto. y

luego se seca al horno.

El lmite de contraccin se calcula a partir de la siguiente

formula.

Donde:Wi= contenido da agua antes de contraerse

Vi = Volumen inicial de la pastilla de suelo

Vf = volumen final de la pastilla despus de secado

Ms = masa de la pastilla despus de secado

rw = densidad de el agua (1.0)

La condicin para Lc, se obtiene de que VI = Vf es el valor buscado

y Lc = Wi

Donde no hay ms contraccin con el secado.

Teniendo en cuenta el mtodo simplificado de Casagrande, de

coordenadas sobre la carta de plasticidad y utilizando la

geometra analtica puede calcularse la ecuacin para hallar el

lmite de contraccin:

ndices obtenidos a partir de los Lmites de Atterberg.Los parmetros de correlacin ms tiles, obtenidos a partir de la

determinacin de los lmites de Atterberg son:

El ndice de plasticidad IP

El ndice de liquidez IL

El ndice de contraccin IC y,

El grado de actividad de las arcillas Ac;

Los cuales se definen en la tabla a continuacin:

INDICE DEFINICION CORRELACION De Plasticidad IP = LL - LP Resistencia, compresibilidad, compactabilidad, etc. De Liquidez

Compresibilidad, resistencia del suelo y estado de esfuerzos.

De Contraccin IC = LP - LC Potencial de contraccin. Actividad de las Arcillas

Potencial de expansin y otros.

ndice de Plasticidad y ngulo de Friccin Residual

de Suelos Cohesivos.

A lo largo de planos de falla preformados, despus de movimientos

grandes, los suelos cohesivos presentan una resistencia cortante muy

reducida (residual). El ngulo correspondiente de friccin efectiva

r, depende del ndice de plasticidad IP. El parmetro r se aplica

en un anlisis de estabilidad en suelos donde han ocurrido

movimientos previos (deslizamientos).

Curvas que indican la

variacin del ngulo de

friccin efectiva con el ndice

de plasticidad en suelos no

alterados, normalmente

consolidados y en suelos

remoldados.

En la siguiente tabla se presenta la calificacin del rango de

plasticidad del suelo de acuerdo con el valor de IP.PLASTICIDAD DESCRIPCION DEL SUELO RANGO IP

NULA Limo 0 - 3 BAJA Limo con trazas de arcilla 4 - 15 MEDIA Limo arcilloso

Arcilla limosa Arcillas y limos orgnicos

16 - 30

ALTA Arcilla limosa Arcilla

> 31

ndice de Liquidez

Tambin conocido como la Relacin Agua-Plasticidad, el ndice

de Liquidez IL es el ndice utilizado para medir a escala el

contenido de humedad natural de una muestra de suelo respecto de

los lmites lquido y plstico (indirectamente sirve para tener una

medida aproximada de la resistencia del material), siendo definido

como:

IL, se expresa por lo general en porcentaje y puede utilizarse para

evaluar el comportamiento de un depsito de suelo si este se

encuentra alterado. Con base en el contenido de humedad, al

comparar los valores de IL puede establecerse:

IL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

< 0.0

Demostrar fractura rgida al ser sometido a corte, porque el contenido natural de humedad wn

es menor que el lmite plstico LP. En este caso el suelo estar en estado slido a semi slido.

0.0 - 1.0 Como un plstico. Rango que comprende la mayora de las arcillas en estado natural.

> 1.0

Ser esencialmente un lquido muy viscoso cuando se somete a corte, porque el contenido

natural de humedad wn es mayor que el lmite lquido LL. Tales suelos pueden ser extremadamente sensibles al colapso de la estructura del suelo. Mientras no sean alterados de

manera alguna pueden ser relativamente fuertes, pero si por alguna razn son sometidos a corte (remoldeo) y la estructura del suelo colapsa, entonces literalmente pueden fluir como un lquido

viscoso. Hay depsitos de arcillas ultra sensibles (licuables o rpidas) en Canad oriental y

Escandinavia.

IL indica en suelos plsticos la historia de esfuerzos a que ha estado

sometido el suelo.

IL cercano a 0.- Suelo preconsolidado (suelo que ha soportado presiones

efectivas mayores a las encontradas al momento de la prueba por los estratos

en estado natural). Por ejemplo, suelos que en superficie han estado

sometidos a la accin de la erosin (remocin de estratos superficiales).

IL cercano a 1.- Suelo normalmente consolidado (suelo que nunca ha estado

sometido a presiones efectivas mayores que las encontradas al momento de

la prueba en estado natural). En estos suelos wn cercana a LL.

IL cercano a 0,20.- indica que el suelo siendo altamente plstico tendr poca

o nula expansin.

Actividad de las Arcillas:

La plasticidad se atribuye a la deformacin de la capa de

agua adsorbida alrededor de las partculas de mineral de

arcilla. Por lo tanto, el grado de plasticidad que presenta un

suelo est relacionado con el tipo y cantidad de minerales

arcillosos presentes. Como gua, entonces, el agua absorbida

por un suelo brinda algn estimativo de la cantidad de arcilla

presente en dicho suelo. En 1953, Skempton defini la

actividad A de una arcilla como:

Donde la fraccin de arcilla usualmente se toma como el

porcentaje en peso del suelo menor de 2 mm.

Segn el grado de actividad, las arcillas se clasifican as:

ACTIVIDAD CLASIFICACION TIPO DE ARCILLA POTENCIAL DE CAMBIO DE VOLUMEN

A < 0.75 Inactivas CAOLINITA BAJO 0.75 < A < 1.25 Normales ILITA MEDIO

A > 1.25 Activas MONTMORILLONITA (A > 7.0) ALTO

ndice de Flujo

Corresponde a la pendiente de la lnea que representa en la figura

anterior el contenido natural de humedad, expresado en

porcentaje; contra el nmero de golpes en la determinacin de LL.

Con base en la determinacin de un punto anterior a los 25

golpes, puede calcularse el ndice de flujo mediante la siguiente

expresin:

Donde:

w1: Humedad al nmero de golpes N1.

N1: Nmero de golpes anterior a los 25 golpes.

ndice de Dureza

El ndice de dureza, tambin llamado ndice de Resistencia, ID o

IR, est definido por la siguiente expresin:

Este ndice representa la rapidez con que el suelo pasa del estado

semislido al estado lquido segn la magnitud del rango de

plasticidad, es decir, a menor valor del ndice de flujo, el ndice

de dureza tendr un mayor valor, o sea, la susceptibilidad a

originar un estado lquido (flujo de lodos), ser menor. A menor

valor del ndice de flujo, el suelo ser ms susceptible a pasar

rpidamente a un estado lquido.

ndice de Tenacidad

La tenacidad se conoce como aquella consistencia que presentan

los suelos, cerca de LP. La potencialidad de la fraccin arcillosa de

un suelo se identifica por la mayor o menor tenacidad del rollo de

suelo al acercarse a LP y por la rigidez de la muestra al romperse

finalmente entre los dedos.

El ndice de tenacidad, junto al de fluidez, sirve para diferenciar

las caractersticas de plasticidad de las arcillas. Vara

generalmente entre 1 - 3 y difcilmente es igual a 5 o menor a 1.

ndice de Compresibilidad

Desde que se considera que el lmite lquido parece ser

directamente proporcional a la compresibilidad de las arcillas,

este ha sido relacionado empricamente. Terzaghi y Peck lo

definieron como:

Cc = 0.009 (LL - 10) con LL expresado en %.

ndice de Consistencia Relativa

Tambin denominado por algunos autores como Consistencia

Relativa, est definido como:

Este ndice es til en el estudio del comportamiento en campo de suelos de

grano fino saturados.

Si CR < 0, o sea, wn > LL el amasado del suelo lo transforma en un lodo

viscoso.

Si CR 0, indica que el suelo tiene resistencia a la compresin inconfinada

entre 0,25 - 1,00 kg/cm.

Si CR 1, indica que el suelo tiene resistencia a la compresin inconfinada

entre 1,00 - 5,00 kg/cm.

La resistencia al esfuerzo cortante del suelo crece en la medida en que,

0 < CR < 1.

0,00 < CR < 0,25 - Suelo muy blando

0,25 < CR < 0,50 - Suelo blando

0,50 < CR < 0,75 - Suelo de consistencia media

0,75 < CR < 1,00 - Suelo de consistencia rgida

Si CR = 1 el suelo se encuentra en su LP.

Si CR = 0 el suelo se encuentra en su LL.

Si CR > 1 el suelo se encuentra en un estado semi slido y tendr un

comportamiento rgido.

Si CR < 0 el suelo posee un contenido de humedad natural superior a su LL y

se comportar como un fluido viscoso.

Ok