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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
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Estructura laminar de la Arcilla, vista al microscopio
IDENTIFICACION Y CLASIFICACION DE SUELOS
DE GRANO FINO.
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Suelos con textura fina pueden absorber cantidades
variables de agua y por lo tanto cambiar su densidad (y
algunas veces el volumen).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Para diferenciar los estados de consistencia antes descritos,
Atterberg estableci lmites que establecan claras
diferencias, los cuales son:
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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).
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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.
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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.
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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
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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:
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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.
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Si el nmero de
golpes para que se
cierre la zanja es 25,
la humedad del suelo
corresponde al L.L.
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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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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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
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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:
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.
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Ok