- Límite líquido (LL). Humedad de un suelo remoldeado, límite entre los estados líquido y plástico, expresado en porcentaje.

Transcripción

1 1.3. DETERMINACION DE LOS LIMITES DE ATTERBERG. Los suelos que poseen algo de cohesión, según su naturaleza y cantidad de agua, pueden 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 estado varía de un suelo a otro. El método usado para medir estos límites se conoce como 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 separación arbitraria, pero suficiente en la práctica, entre los cuatro estados mencionados anteriormente. La Norma chilena 1517/I Of define los límites. - Límite líquido (LL). Humedad de un suelo remoldeado, límite entre los estados líquido y plástico, expresado en porcentaje. - Límite plástico (LP). Humedad de un suelo remoldeado, límite entre los estados plástico y semi-sólido, expresado en porcentaje. - Límite de contracción (LC). 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 Semi - sólido Plástico Semi - Líquido Líquido LC LP LL Además, se define el índice de plasticidad (IP) como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico (IP = LL - LP) Determinación del límite líquido según NCh 1517/I Of El límite líquido está definido, como el contenido de humedad con el cual una masa de suelo colocada en un recipiente en forma de cuchara (aparato de Casagrande), se separa con una herramienta patrón (ranurador), se deja caer desde una altura de 1 cm. y sufre el cierre de esa ranura en 1 cm. después de 25 golpes de la cuchara contra una base de caucho dura o similar. Casagrande (1932), determinó que el límite líquido es una medida de resistencia al corte del suelo a un determinado contenido de humedad y que cada golpe necesario para cerrar el surco, corresponde a un esfuerzo cortante cercano a 1 gr/cm 2. 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 que consiste en una taza (cuchara) de bronce con una masa de 200 ± 20

2 grs., montada en un dispositivo de apoyo fijado a una base de caucho, madera o plástico 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 evaporación de porcelana de 120 mm. de diámetro. - Espátula hoja flexible de 20 mm. de ancho y 70 mm. de largo. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Balanza de precisión de 0,01 gr. - Herramientas 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.

3 Figura Acanaladores. Fuente: NCh 1517/I Of Procedimiento. Se pone la muestra en el plato de evaporación agregándole suficiente cantidad de agua destilada, mezclando con la espátula hasta lograr una pasta homogénea. Esta muestra debe curarse durante el tiempo que sea necesario para lograr una adecuada distribución de la humedad. Se coloca el aparato de límite líquido sobre una 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 con la espátula, de modo que la altura obtenida en el centro sea de 10 mm. y la masa ocupe un volumen de 16 cm 3 aproximadamente. Una vez enrasado, se pasa el acanalador para dividir la pasta en dos partes, a través de un surco de 63 mm. de longitud. Si se presentan desprendimientos de la pasta en el fondo de la taza, se debe retirar todo el material y reiniciar el procedimiento. Cuando se tiene el surco, se gira la manivela del aparato con una frecuencia de 2 golpes por segundo, contando el número de golpes necesarios para que la ranura cierre en 10 mm. de longitud en el fondo de ella (secuencia en la figura 1.11.). Finalmente, se toman aproximadamente 10 grs. del material que se junta en fondo del surco para determinar la humedad.

4 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 de obtener tres puntos que varíen en un rango de 15 a 35 golpes (ideal es tomar 5 puntos). Es importante señalar que el ensayo se debe realizar desde la condición más húmeda a la más seca.

5 Figura Secuencia del ensayo límite líquido. Fuente: Lambe T., Cálculos y gráficos. - Calcular la humedad de cada prueba de acuerdo al procedimiento del ensayo de humedad. - Construir un gráfico semi-logarítmico, donde la humedad será la ordenada (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 recta llamada curva de flujo, pasando tan aproximadamente como sea posible por dichos puntos. - Expresar el límite líquido (LL) del suelo, como la humedad correspondiente a la intersección de la curva de flujo con la abscisa en 25 golpes, aproximando al entero más próximo. Este dato también puede interpolarse matemáticamente con N=25 golpes, 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 cuchara, 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 Casagrande, tiene la ventaja de permitir un mejor control de la profundidad de la pasta de suelos en la cuchara, en cambio la de ASTM es mejor para suelos con bajo límite líquido, en los cuales es generalmente difícil hacer la ranura, como sucede con materiales arenosos y limosos. Para éstos suelos, sería incluso necesario formar parcialmente la ranura con la ayuda de la espátula, después de lo cual la ranura puede ser retocada con cualquiera de los ranuradores patrón. - La altura de caída de la cuchara debe ser verificada antes de comenzar un ensayo, utilizando el mango de calibre 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 obtener 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 puede 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 Otros métodos para determinar el límite líquido.

6 - Método por un punto. Este método es aplicable principalmente en control de faenas, cuando se ha determinado la curva de flujo por el método mecánico y cuando las especificaciones particulares para el suelo a ensayar así lo indiquen. El procedimiento es idéntico al método anterior, solo que la muestra debe prepararse con una consistencia tal que requiera de 20 a 30 golpes para cerrar la ranura (debe haber a lo menos dos resultados consecutivos semejantes antes de aceptar una prueba, registrando el número de golpes N ). La humedad de la muestra, deberá tomarse de la prueba aceptada. Una vez determinado el contenido de la humedad, el punto obtenido se debe confrontar con la curva de flujo predeterminada para el tipo de suelo. Se calcula el límite líquido (LL), mediante la siguiente expresión: LL = ( (N / 25) tg b )* w n ( % )

7 donde: w n = 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 de 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 humedades 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 del punto de corte de esta recta con los 25 golpes. El laboratorio José Luis Escario del CEDEX en España concluyó que el método de un punto es más exacto que el de dos puntos, dado que la recta se obtuvo de métodos estadísticos y es libre de errores accidentales, en cambio el método de dos puntos, traza la recta empíricamente y los puntos están sujetos a errores accidentales. - Método del cono del Instituto Tecnológico de Georgia. Este aparato (figura 1.12.) sirve para determinar el límite líquido por medio de un cono que pesa 75 grs. el cual penetra en el suelo. El límite líquido se define como la humedad que posee el suelo cuando la penetración es de 10 mm. Para evitar efectos dinámicos, se frena la caída del peso hasta 10 segundos después del comienzo 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 El método del cono facilita la determinación del límite líquido en suelos poco plásticos.

8 Figura Cono del Instituto Tecnológico de Georgia. Fuente: Jiménez Salas J. y De Justo Alpañes J., Vol Figura Gráfico para determinar límite líquido. Fuente: Jiménez Salas J. y De Justo Alpañes J., Vol Determinación del límite plástico según NCh 1517/II Of El límite plástico se ha definido arbitrariamente como el contenido de humedad del suelo al cual un cilindro de éste, se rompe o resquebraja al amasado presentando un diámetro de aproximadamente 3 mm.

9 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 comparación y establecer el momento en que el suelo se resquebraja y presenta el diámetro especificado. La muestra necesaria para realizar este ensayo deberá tener un peso aproximado de 20 grs. y pasar completamente por el tamiz de 0,5 mm. (malla Nº 40 ASTM).

10 - Equipo necesario. - Plato de evaporación de porcelana de 120 mm. de diámetro. - Espátula hoja flexible 20 mm. de ancho y 70 mm. de largo. - Placa de vidrio esmerilado o mármol como superficie de amasado. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Patrón de comparación, puede usarse un alambre ó plástico de 3 mm. de diámetro. - Balanza de precisión de 0,01 gr. - Probeta de 25 ml. de capacidad. - Herramientas y accesorios. Malla Nº 40 ASTM, agua destilada y recipientes herméticos. - Procedimiento. La muestra de ensayo se prepara de manera idéntica a la descrita en el límite líquido, o bien puede usarse la misma muestra que se usó en ese ensayo, en la etapa en que la pasta de suelo se vuelva lo suficientemente plástica para moldearla como una esfera. Se toma una porción de suelo de aproximadamente 1 cm 3, se amasa entre las manos (figura 1.14.) y se hace rodar con la palma de la mano o la base del pulgar, por sobre 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 cilindro, 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 reconstituido (figura 1.15.). El contenido de humedad que tiene el suelo en ese momento representa el límite plástico, el cual se determina colocando las fracciones de suelo 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.

11 Figura Forma de amasar la muestra de suelo. Fuente: Lambe T., Figura Resultado del amasado. Fuente: Lambe T., 1951.

12 - Cálculos. - Calcular el límite plástico (LP) del suelo, como el promedio de las tres determinaciones realizadas. - Calcular el índice de plasticidad (IP), mediante la siguiente expresión: IP = LL - LP ( % ) donde: LL = límite líquido del suelo (%) LP = límite plástico del suelo (%) - Con los datos de LL, LP y la humedad natural (w) del suelo, calcular el índice líquido (IL) y el índice de consistencia (IC) del suelo, mediante las siguientes expresiones: IL IC = ( w - LP ) / IP = ( LL - w ) / IP - Observaciones. - Esta determinación es subjetiva por la cual el operador debiera ser el mismo para todas las determinaciones y de este modo evitar dispersión en los resultados obtenidos. - La falla o resquebrajamiento del cilindro se puede definir de las siguientes maneras: - simplemente por separación en pequeños pedazos, - por desprendimiento 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 presión de la mano cuando se llega a 3 mm. de diámetro. Los suelos de muy baja plasticidad 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 realizar 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 negativa (IP), el suelo se calificará como no plástico (NP).

13 Determinación del límite de contracción según NCh 1517/III Of 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 cambios de volumen en el suelo que podrían provocar problemas posteriores. Sin embargo, para obtener una indicación cuantitativa de cuanto cambio de humedad puede presentarse (antes de tener un cambio de volumen significativo y para obtener una indicación 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 entre la condición de saturación completa (pero no absolutamente necesario) y la humedad 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 volumen global de la muestra (o relación de vacíos). A partir de ese valor límite en el contenido de humedad, es posible producir cambios adicionales en el volumen del suelo 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. - Regla 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 fondo 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 recipiente con mercurio (figura 1.16.).

14 Figura Equipo para determinar el límite de contracción. Fuente: Valle Rodas R., Probeta con una capacidad de 25 ml. y graduada cada 0,1 ml. - Balanza de 0,01 gr. de precisión. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Mercurio suficiente para llenar la taza de vidrio y agua destilada. - Procedimiento. El molde se calibra pesándolo (Mr) y obteniendo su capacidad volumétrica. Para esto último, se llena con mercurio, se enrasa, se pesa (Mm) y se determina el volumen de mercurio mediante el dato de su densidad (γ HG = 13,55 gr/cm 3 ). Se registra dicha capacidad como volumen de la pastilla de suelo húmedo a ensayar (Vh), aproximando a 0,01 cm 3. Se toma la muestra de ensayo completamente homogenizada 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 suficientemente consistente para colocarlo en el molde sin inclusión de burbujas de aire. La humedad necesaria para alcanzar la consistencia requerida es ligeramente superior al límite líquido y en suelos plásticos puede exceder hasta en un 10% dicho valor. A continuación es necesario curar la muestra al menos 24 horas para que se mezclen homogeneamente las partes líquida y sólida. Este plazo es variable de acuerdo al tipo de suelo.

15 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 de 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 material 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 el suelo húmedo compactado (Mh) y se deja secar al aire hasta que la pastilla de suelo moldeado se despegue del molde o cambie de color oscuro a claro, la que se seca dentro del horno hasta masa constante y se determina el peso del molde con el suelo seco (Ms). El secado primario (al aire), se realiza con el fin de reducir la posibilidad de que el suelo se fracture formándose grietas en él debido al violento cambio de temperatura en el horno. Finalmente, se debe obtener el volumen de 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 evaporación (de peso M 1 ) 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 borde 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 (M 2 ) ya que con la densidad del mercurio se conocerá el volumen desplazado, que es igual al volumen de la pastilla de suelo seco (Vs), aproximando a 0,01 cm 3

16 - Cálculos. - Calcular la humedad del suelo (w) al momento de moldear, mediante la siguiente expresión: w = ( 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 )* γ w * 100 ( % ) donde: Vh = volumen de la pastilla de suelo húmedo (cm 3 ) Vs = volumen de la pastilla de suelo seco (cm 3 ) γ w = densidad del agua (grs/cm 3 ) - Calcular el volumen del suelo húmedo (Vh): Vh = (Mm - Mr) / γ HG ( cm 3 ) donde: Mm = peso del molde lleno de mercurio (grs.) γ HG = densidad del mercurio (13,57 grs/cc) - Calcular el volumen del suelo seco (Vs): Vs = (M 2 - M 1 ) / γ m ( cm 3 ) (grs.) donde: M 1 = peso del plato de porcelana más mercurio desplazado M 2 = Peso del plato de porcelana (grs.) - Calcular la relación de contracción (R), como la relación entre un cambio de volumen dado y su correspondiente cambio en la humedad 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 expresiones: R = (Ms - Mr) / Vs Vc = (w - LC )* R ( % )

17 - Calcular la relación de contracción lineal del suelo (LS), definida como la disminución 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 = ( VC )* 100 ( % )

18 UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Humedad natural del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA Determinación del límite líquido Muestra Nº Nº de golpes Peso recipiente + suelo húmedo Peso recipiente + suelo seco Peso recipiente Peso suelo seco Peso agua Contenido de humedad ( % ) w (%) Gráfico % de humedad contra número de golpes

19 Limite líquido para 25 golpes = ( % ) Nº de golpes

20 UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Humedad natural del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA Determinación del límite plástico Muestra Nº Peso recipiente + suelo húmedo Peso recipiente + suelo seco Peso recipiente Peso suelo seco Peso agua Contenido de humedad ( % ) Límite plástico (LP ) = ( % ) Indice de plasticidad ( IP ) = Indice de consistencia ( IC ) = Observaciones:

21 UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Humedad natural del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA Determinación del límite de contracción Muestra Nº Peso de la cápsula Peso de la cápsula + suelo húmedo Peso de la cápsula + suelo seco Peso 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 vidrio con mercurio remanente Volumen suelo húmedo Volumen suelo seco Límite de contracción = % Cambio volumétrico = % Relación de contracción = Contracción lineal = % Observaciones :

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