limites de consistencia (atterberg)

LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS LIMITES DE ATTERBERG

Practica Nº5

LIMITES DE CONSISTENCIA

5.1.- INTRODUCCION.-

5.1.1.- GENERALIDADES.-En 1911, el científico sueco Atterber, describió métodos para describir la variación de la consistencia de un suelo en función del contenido de humedad, es decir en suelos de grano fino a mayor contenido de agua menor es la consistencia, y si este contenido de agua se reduce la consistencia aumenta.

Atterber, propuso cinco límites, estos son:

Limite de cohesión. Es el contenido de humedad en el cual las partículas de suelo son capaces de pegarse unas a otras.Limite de pegajosidad. Es el contenido de humedad en el cual el suelo comienza a pegarse a superficies metálicas, tales como la cuchilla de la espátula. Este límite es importante dentro de la ingeniería agrícola, ya que relaciona la capacidad de del suelo de adherirse a las cuchillas de arado.Limite de contracción. Es el contenido de humedad por debajo del cual no se produce reducción adicional de volumen o contracción del suelo.Limite plástico. El contenido de humedad por debajo del cual se puede considerar el suelo como material no plástico.Limite líquido. es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo se comporta como un material plástico. A este nivel el la consistencia del suelo esta a punto de cambia al de un fluido viscoso.

Podríamos definir a los límites de consistencia de un suelo de grano fino, como el contenido de humedad característico que determinan las fronteras entre los estados: liquido, plástico, solido y semisólido. De esta manera si el contenido de agua de un suelo arcilloso se encuentra entre los limites líquidos y plásticos, el suelo esta en un estado plástico.

Página 1AUXILIAR: UNIV. SAMUEL ADAM SOSSA LAYME GRUPO “B”

Solido Semi-solido Plástico Líquido

Falla completamente al

deformarse

Masilla dura se deforma pero se

agrieta

Mantequilla blanda a masilla dura, se deforma pero no

se agrieta

Pasta, liquido vicioso,

mantequilla blanda

W=0% W=Wc W=Wp W=WL


Estos son los límites mas utilizados dentro de la ingeniería civil, especialmente en la clasificación de suelos.

La grafica a continuación muestra la variación del contenido de agua respecto de la consistencia.

5.1.2.- LIMITE LÍQUIDO.-El limite liquido de define como el contenido de humedad con el cual el suelo pasa de tener una consistencia liquida a una consistencia plástica.

Este límite tiene muchas utilidades, de las cuales podríamos citar:

Detección del potencial de volumen. Estimar asentamientos futuros en problemas de consolidación. Predecir la densidad seca máxima en estudios de compactación. Clasificación de suelos.

El método para determinar este límite fue propuesto por Casagrande, este método consiste en la realización de un ensayo de laboratorio, con el aparato de Casagrande (en la siguiente sección se darán las especificaciones de este). En este aparato se coloca un suelo amasado, y uniformemente humedecido, donde se abre una ranura trapecial, y de golpea el platillo en caída libre hasta que la ranura cierre 1.2cm, este procedimiento se repite varias veces, luego se grafica el Nº de golpes vs el contenido de humedad, y el limite liquido se define como: El contenido de humedad para que la ranura cierre 1.2cm a 25 golpes.

En la realización del ensayo se debe tener muy en cuenta:

El tamaño de la muestra en el platillo debe ser constante. La velocidad de los golpes debe ser de dos golpes por segundo, es decir 120 revoluciones por

minuto. La humedad del ambiente debe mantenerse en lo posible constante.



El tiempo que se deja la muestra reposando en el platillo. La altura de caída debe ser exactamente de 1cm. El platillo debe estar limpio antes de colocar la muestra. La herramienta para hacer la ranura de la muestra debe ser tipo ASTM o Casagrande. Se debe tomar la muestra de la parque en que se cerro la ruptura o cierre

A continuación se muestran las especificaciones del aparto, observe que existen dos tipos de acanaladores.



5.1.2.1.- Muestra.-Se debe utilizar una muestra que pase el tamiz Nº200, a continuación, realizaremos una descripción en cuanto al secado de la muestra.

Muestra con humedad Natural: si al obtener la muestra es posible realizar el tamizado, el ensayo debe realizarse con esta muestra, es decir con el contenido de humedad natural, caso contrario debe dejarse secar a l aire libre y someter a un proceso de humedecimiento durante 24 o 48 horas para que recupere su condición natural.

Muestra secada al aire libre: Numerosas investigaciones han demostrado que este tipo de secado disminuye el límite líquido entre un 2% al 6%.

Muestra secada al horno: Disminuye el valor le limite liquido aun mas que la muestra secada al aire libre, es por eso que debe evitarse este paso.

5.1.2.2.- Ensayos de Penetración.-Además del método de la cuchara de Casagrande adoptado por las normas de todo el mundo, existe un método alternativo donde se mejoran algunas deficiencias. Esencialmente el ensayo del límite líquido es una medida de la resistencia de corte de un suelo blando cuya humedad se acerca al estado líquido. La teoría de plasticidad desarrollada por Prandtl estableció una relación entre la resistencia de corte y la resistencia a penetración de un suelo, esta relación es una constante en materiales como las arcillas saturadas. Entonces, podemos decir que el ensayo de penetración debería ser una medida válida de límite líquido. Para ello existen distintos tipos de conos para determinar el límite líquido.

Existen en cono Ruso, cono Indú, cono de Georgia. En los tres se toma el limite liquido, como la humedad necesaria de la aguja para una penetración de 10mm. (es similar al ensayo ensayo de la aguja de Vicat, que se realiza en cemento).



Cono Ruso

Cono Indu Cono de Georgia

5.1.2.- LIMITE PLASTICO.-El limite plástico es el contenido de agua con el cual los suelos pasan de un estado semi-solido al estado platico.

El límite plástico se ha definido como el contenido de humedad al cual un cilindro se rompe o se resquebraja, cuando se enrolla a un diámetro de 3mm o aproximadamente 3mm. Este ensayo es muy subjetivo, puesto que depende mucho del operador observar el resquebrajamiento y el diámetro, es recomendable tener un alambre o clavo a lado para comparar el diámetro, el resultado del límite plástico para un mismo suelo realizado por diferentes laboratoristas varia del 1% al 3%.

Cuando se construyen terraplenes o sub-bases ya sea par carretera o aeropistas, debe evitarse compactar el material cuando su contenido de humedad sea mayor al limite plástico.



Realización del límite plástico

Mineral Límite líquido (%) Límite plástico (%)Montmorillonita (1) 100-900 50-100

Nontronita (1)(2) 37-72 19-27Illita (3) 60-120 35-60

Caolinita (3) 30-110 25-40Halosyta hidratada (1) 50-70 47-60

Halosyta deshidratada (3) 35-55 30-45Atapulgita (4) 160-230 100-120

Clorita (5) 44-47 36-40Valores de los límites de Atterberg para minerales de arcilla. J.K. Mitchell

(1) Varias formas iónicas. Valores más altos para monovalentes; más bajos para di y trivalentes. (2) Todas las muestras contienen un 10% de arcilla y un 90% de arena y limo. (3) Varias formas

iónicas. Valores más altos para formas di y trivalentes; más bajos para monovalentes. (4) Varias formas iónicas. (5) Algunas cloritas no son plásticas.

A medida que el contenido de humedad de un suelo se aproxima mas al limite plástico, mayor es su resistencia y capacidad.

5.1.2.- INDICE DE PLASTICIDAD.-Atterberg encontró que la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico, denominado índice de plasticidad (IP), representaba una medida satisfactoria del grado de plasticidad de un suelo. Luego sugirió que estos dos límites sirvieran de base en la clasificación de los suelos plásticos. Acorde al valor del índice de plasticidad, distinguió los siguientes materiales. Debemos aclarar que el índice de plasticidad de una arena es cero.

Suelos desmenuzables (IP<1) Suelos débilmente plásticos (1<IP<7) Suelos medianamente plásticos (7<IP<15) Suelos altamente plásticos (IP>15)



5.2.- OBJETIVO GENERAL.-Determinar los límites líquido y plástico de un suelo.

5.3.- PROCEDIMIENTO Y MATERIAL UTILIZADO.-

5.3.1.- MATERIAL (LIMITE LIQUIDO).- Dispositivo mecánico, aparato de Casagrande. Acanalador tipo ASTM o Casagrande Taras Mortero o recipiente de porcelana Equipo para la determinación del contenido de humedad, (capsulas nombradas) Pipeta graduada Espátula Paño para limpiar

5.3.1.- MATERIAL (LIMITE PLÁSTICO).- Placa de vidrio (15 x 15) Recipiente de porcelana Pipeta graduada Paños para limpiar

5.3.2.- MUESTRA.- Se tomara de 100gr a 200gr de muestra de suelo que pase el tamiz Nº40, la especificación del preparado se explica en la sección 5.1. Esta muestra servirá para ambos ensayos.

La muestra para el limite liquido puede tomarse de la muestra utilizada en el limite liquido cundo esta esta aproximadamente a los 30 golpes, o bien puede amasarse otra muestra.

5.3.3.- DETERMINACION DEL LIMITE LÍQUIDO.- Se dispone de muestras de suelo que pasan el tamiz N°40, preparadas previamente y listas para

la ejecución del ensayo. Mezclar completamente el suelo en el recipiente metálico o de porcelana usando la espátula

hasta obtener una pasta homogénea y densa que pueda moldearse fácilmente con los dedos. Colocar una porción de esta pasta en la copa o platillo del aprato, sobre la parte que descansa

en la base, extendiéndola rápida y cuidadosamente con la espátula, cuidando que no queden atrapadas burbujas de aire.

Con la espátula enrasar la superficie del suelo de tal manera que tenga una profundidad de 1cm en la sección de espesor máximo, el suelo sobrante regresar al recipiente metálico o de porcelana.

Con el acanalador tipo ASTM realizar un canal en el suelo, evitando deslizarlo de la Copa, de manera que el plano de simetría del canal sea perpendicular a la articulación de la copa y procurando además, que el acanalador se mantenga normal a la superficie de la copa.



Para evitar la rotura de los lados del canal o el deslizamiento del suelo en la copa, se permiten hacer hasta seis recorridos del acanalador, desde atrás hacia adelante; La profundidad del canal se incrementa en cada recorrido y solo el último debe tocar el fondo de la copa canal en lo posible debe realizarse con el menor número de recorridos del acanalador.

Cuidando que la superficie inferior de la copa y la superficie de la base se encuentren libres de suelo y agua, girar la manivela a una velocidad de 2 golpes/s contar los golpes necesarios para que las dos mitades de suelo se pongan en contacto al fondo del canal en una longitud continua de alrededor de 1.3cm, por fluencia del suelo y no por deslizamiento entre el suelo y la copa registrar el número de golpes necesarios para que esto ocurra (Nota 1).

Si el número de golpes para la primera determinación esta entre 25 y 45 golpes, continuar normalmente como se indica en el paso 8; sino. Añadir agua o secarla al aire, lo que fuere más apropiado y repetir los pasos 3 a 7, hasta que esta condición se obtenga.

Regresar el suelo de la copa al recipiente metálico o de porcelana mezclar completamente, limpiar y secar la copa y el acanalador y repetir los pasos de 2 a 6, hasta que se obtenga dos determinaciones congruentes con diferencia máxima de un golpe. Registrar el resultado o promedio de los dos últimos.

Del lugar donde se juntan los bordes del canal, tomar con la espátula una porción de suelo de alrededor de 20 g, colocarlo en un recipiente adecuado y determinar el contenido de agua.

Repetir los pasos 2 a 9 por lo menos cuatro veces, usando el mismo suelo con nuevos incrementos de agua, los cuales deben hacerse de tal manera que el número de golpes necesarios para cerrar el canal varíe de 45 a 5, de modo que dos ensayos estén bajo los 25 golpes y dos sobre los 25 golpes, (Nota 2). Mezclar el suelo en cada incremento de agua durante 2 minutos por lo menos.

Para efectuar los distintos ensayos, hacer el amasado del suelo únicamente mediante el aumento progresivo de agua, de tal manera que cada vez el suelo se torne más fluido.

NOTA 1.- Algunos suelos tienden a deslizarse en lugar de fluir ; si esto ocurre, el resultado no es válido y debe repetirse el ensayo añadiendo agua hasta que ocurra el flujo, si después del incremento adicional de agua el suelo sigue deslizándose, el ensayo no es aplicable , debiéndose anotar que el límite líquido no puede determinarse.NOTA 2.- Con este proceso se tiende a obtener suelos de una consistencia tal, que se puede hacer un ensayo dentro de cada una de, las siguientes escalas de golpes : 45 – 35 : 35 – 25 , 25- 15 ; 15- 5 ; de modo que la variación de cada ensayo sea de por lo menos 5 golpes.

5.3.3.- DETERMINACION DEL LIMITE PLÁSTICO.- Se dispone de muestras de suelo que pasan el tamiz N° 40, preparadas previamente y listas para

la ejecución del ensayo. Pesar una cantidad aproximada de 30g de suelo preparado previamente, o bien tomar una

muestra de la masa le limite liquido cuando esta este por los 30 golpes aproximadamente. Mezclar completamente el suelo en el recipiente metálico o de porcelana usando la espátula,

hasta obtener una pasta homogénea y densa que pueda moldearse fácilmente con los dedos sin que se adhiera a ellos.



Tomar aproximadamente 10g de la cantidad de suelo preparado según el paso 2, moldearla entre los dedos, en un ovoide, luego amasar y rodar entre las palmas de las manos hasta que la humedad del suelo sea cercana al límite plástico.

Si el suelo está muy húmedo, para secarlo rápidamente se recomienda colocar al suelo encima de un papel periódico y extenderlo con la espátula, luego recogerlo y repetir el paso 3.

Rolar este ovoide entre las puntas de los dedos y la placa de rolado con una presión suficiente como para formar con el suelo un rollo de 3mm de diámetro en 5 a 15 movimientos completos (hacia delante y hacia atrás) de la mano, a una velocidad de 80 a 90 movimientos por minuto,.

Si el rollo de suelo se desmenuza antes de alcanzar los 3mm de diámetro, añadir agua a toda la masa de suelo. Volver a mezclarlo en el recipiente metálico o de porcelana, amasarlo completamente y proceder como se indica en los pasos 3 y 4.

Si el rollo alcanza un diámetro menor de 3mm sin mostrar señales de agrietamiento, se tiene una humedad mayor que el límite plástico. Volver a amasarlo completamente y proceder como se indica en los pasos 3 y 4.

Cuando el rollo de suelo se agrieta y empiece a desmoronarse al llegar a los 3mm, se habrá alcanzado el contenido de agua correspondiente al límite plástico, la que se medirá usando todos los pedazos del rollo.

Recoger las porciones desmenuzadas del rollo de suelo en un recipiente adecuado y determinar el contenido de agua.

Dos porciones más serán tratadas como se indican en los pasos 3 a 8 de modo que se hagan tres determinaciones de límite plástico de la cantidad de suelo pesada en el paso 1.

Suelo partido por el acanalador girar a una velocidad de 2rev/seg



Tomar la muestra del lugar donde de cerró Determinar el contenido de humedad

Rolado de la muestra Resquebrajamiento a 3mm



5.4.- CALCULOS.-

5.4.1.- Limite Líquido.-

a) Método Grafico:Graficar en escala semi-logaritmica, contenido de humedad (eje Y) vs log de numero de golpes (eje X), esta deberá formar una recta aproximadamente, luego hallar el contenido de humedad a los 25 golpes, y este se define como limite liquido.

b) Formula del cuerpo de ingenieros de los EEUU:

¿=w ( N25 )0.121

LL = Limite Liquidow = Contenido de humedad a N golpesN = Numero del golpes

c) Formula del Buereau Public Roads:

¿= w1.49−0.3 log S

LL = Limite LiquidoS = Numero de golpesw = Contenido de humedad a N golpes

d) Formula de Samuel Sossa:

¿= w

N−0.11725−0.117

LL = Limite Liquidow = Contenido de humedad a N golpesN = Numero del golpes

e) Ajuste Potencial:

¿=A∗N t

A, t = Constantes a definirN = Numero del golpes = 25



5.4.2.- Limite plástico.-Solo debe calcularse el contenidode humedad al igual que en el ensayo de limite liquido con la siguiente formula.

w%=W caps+mhum−W caps+mseca

W caps+mseca−W caps

5.4.3.- Índice de Flujo.-

If=w2−w1

log(N 2

N 1)

w1 = contenido de agua, en % correspondiente a N1 golpesw2 = contenido de agua, en % correspondiente a N2 golpes

5.4.4.- Índice de Plasticidad.-IP=¿−LP

LL = Limite líquidoLP = Limite plástico

5.4.5.- Índice de Tenacidad.-

I T=IPIf

IP = Índice de plasticidadIf = Índice de flujo

5.4.6.- Índice de Liquidez.-

I L=wn−LPIP

wn = Contenido natural de agua

5.4.7.- Índice de Consistencia.-

I c=¿−wnIP

wn = Contenido natural de agua

Instrucciones.- Realizar el calculo del limite líquido con todas las formulas propuesta y discutir acerca de

los resultados.



Recopilar los resultados de los demás grupos y discuta los resultados obtenidos de acurdo al tipo de secado que se hizo

Realizar el cálculo de cada uno de los índices nombrados en la sección anterior. Para el caso de grupo que realizo el ensayo con la muestra arenosa, tomar IP=0 Todos los grupos tanto los que trabajaron con arcilla y arena deberán interpretar los

resultados, de los limites y como también de los índices (se deja como tarea para el estudiante investigar una interpretación a cada uno de los índices)

Realizar la grafica en la planilla de resumen (en Excel) y a mano en papel semi-logaritmico.

Incluir en la parte de cálculos la planilla elaborada en clases la cual debe estar sellada por el laboratorio y firmada.

La fecha de presentación de esta practica será el día viernes 5 de octubre, en clases. La fecha de presentación de la práctica de “Clasificación de Suelos” será para el día lunes

8 de octubre hasta horas 4:00pm.

5.5.- CUESTIONARIO.-

Averigüe y explique mas sobre la relación que tiene la consistencia de un suelo con su resistencia.

De una muy breve explicación de los 5 tipos de limites propuestos por atterberg Explique muy brevemente en que consiste la realización del ensayo del límite de contracción. Explique brevemente los tipos de arcilla predominantes. Que es una arcilla expansiva y que tipos de arcillas son las más expansivas Que relación tiene la expansividad de una arcilla con sus limites de consistencia De una interpretación de porqué tomamos el índice de plasticidad de una arena como cero, y si

esto es cierto cual seria el valor del límite plástico.


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