LABORATORIO 2: LIMITES DE CONSISTENCIA

Presentado a:

Ing., M.G., MSc., DIC., PhD., Carlos Eduardo Rodrguez Pineda.

Presentado por:

Hernn Snchez Escobar

Christian Espinosa Sierra

Johann German Rodrguez

Daniel Rincn Barrera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE BOGOTA.

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL Y AGRCOLA

MECANICA DE SUELOS.

BOGOT D.C., SEPTIEMBRE 30 DE 2014

1. INTRODUCCION

En mecnica de suelos hay un trmino que es utilizado solo para los suelos fino-granulares, este es la consistencia y se refiere a la cualidad de un suelo relacionada con la facilidad que tiene para fluir, deformarse o romperse. Esta variabilidad depende directamente del contenido de agua, de su densidad y su condicin estructural. La variacin del parmetro humedad, hace variar su consistencia y a partir de ello, los estudiosos del tema, han definido cuatro estados denominados estados de consistencia que en la medida en que se disminuye el contenido de agua se clasifican as: estado lquido, estado plstico, estado semislido y estado slido.

Los lmites de Atterberg fueron definidos con el propsito de definir la frontera entre estos cuatro estados. Luego de la experimentacin en laboratorio siguiendo la metodologa tal como se especificada en este informe, se puede hacer una clasificacin de suelos, ya sea, segn el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos (SUCS) o segn el sistema de la American Association of State Highway and Transportation Officials System (AASHTO). En este informe se hace una retrospeccin alrededor de los pormenores del ensayo, se especifica el procedimiento normalizado que se debe seguir y con los resultados obtenidos, se hace un anlisis con miras de establecer la clasificacin del tipo de suelo estudiado.

2. RESUMEN

En este informe de lmites de consistencia se hace un repaso del significado de este ensayo y el procedimiento que se debe seguir para determinar el lmite lquido (LL) y el lmite plstico (LP) del suelo de estudio, para posteriormente hacerle su correspondiente clasificacin.

3. ABSTRACT

In this report a review of consistency limits the significance of this trial and the procedure to be followed to determine the liquid limit (LL) and plastic limit (PL) study of the soil, and later give the corresponding classification is made.

4. OBJETIVO

El objetivo es determinar el lmite lquido (LL) y el lmite plstico (LP) de los suelos finos y de la fraccin fina de los suelos gruesos. Determinar el ndice plstico (IP) y hacer una clasificacin de los suelos.

5. MARCO TERICO

Lmites de Atterberg: Dentro de los variados mtodos para medir la plasticidad en las arcillas, destaca el mtodo desarrollado por A. Atterberg, o como se le conoce al conjunto de mtodos, Lmites de contraccin. Atterberg defini cuatro estados de consistencia segn su humedad, los cuales son: Slido, para cuando el suelo est seco, semislido, cuando se le adiciona agua, y en mayores cantidades, plstico y lquido. En la figura 5.1 se puede apreciar un grfico que relaciona a groso modo la transicin entre los lmites y la cantidad de agua, concluyendo que los lmites de consistencia no son ms que contenidos de humedad en el suelo:

Figura 5.1 Lmites de Atterberg y Humedad [footnoteRef:1] [1: Tomado de: Mecnica de Suelos, T William Lambe, Robert V. Whitman, EDITORIAL Limusa, 1991, Pgina 31]

Lmite lquido: El lmite lquido determina la frontera entre el estado semilquido y el estado plstico. Para su identificacin, se coloca una muestra de suelo remoldeado en una cpsula al cul se le hace una ranura en la mitad, que se cerraba mediante golpes secos. Se denota por una doble L (LL)

En laboratorio se usarn las siguientes ecuaciones para los clculos requeridos:

Ecuacin 5.1 Clculo de LL.

, se puede emplear: Ecuacin 5.2 Clculo de LL.

Dnde: N = Nmero de golpes para el cierre de la ranura.

WN = Contenido de agua para el punto realizado.

K = Factor de correccin (Figura 5.2).

Figura 5.2 Factor de correccin para Lmite Lquido[footnoteRef:2] [2: Tomado de: NORMA INV E-125-07 DETERMINACION DEL LMITE LQUIDO EN LOS SUELOS. Instituto Nacional de Vas, Pgina 8]

Lmite plstico: Es el lmite entre el estado plstico y el semislido. Al igual que el lmite lquido se determina en laboratorio, haciendo rodar una muestra de suelo hasta formar un cilindro de 3mm de espesor, para el cual se tena en cuenta el agrietamiento, desmoronamiento en un cierto momento del rollito. Se representa como (LP).

ndice de plasticidad: Atterberg encontr que la diferencia entre el Lmite lquido y el Lmite plstico.

La plasticidad en los suelos es de gran importancia en los suelos, pues es la capacidad de recibir deformaciones sin presentar fallas. Esto, aplicado en un suelo arcilloso se traduce en que un suelo con cierto contenido de humedad se comportar de manera plstica, pero si dicho suelo es secado, puede comportarse o bien como un slido frgil de resistencia considerable o bien como polvo seco, segn sean las condiciones en las que est sometido el suelo.

La plasticidad puede entenderse si se considera que la deformacin ocurre en las capas que absorben agua en el suelo (recordando que las arcillas absorben agua). En estas condiciones las partculas de arcilla atraen a las partculas de agua las cuales logran moverse a lo largo de la capa donde ocurre el fenmeno, induciendo a las partculas de arcilla a tener un movimiento relativo entre ellas.

Ecuacin 5.3 Ecuacin de ndice Plstico.

ndice Lquido: O ndice de liquidez se refiere al contenido natural de humedad natural del suelo, se denota como (IL). Usualmente se expresa en modo de porcentaje. En donde una arcilla con un IL cercano al 100% en campo significa que en campo se encuentra en un estado cercano a su lmite lquido, mientras que si es cercano a 0% significar que est ms cercana a su lmite plstico. No obstante, si bien normalmente IL est entre 0-100%, IL tambin puede presentar valores negativos.

Ecuacin 5.4 Ecuacin de ndice Lquido.

Actividad: La plasticidad depende enteramente de la cantidad de minerales arcillosos existentes en el suelo a evaluar, debido a que son las partculas de arcilla en un suelo las responsables de la absorcin de agua. En 1953, Skempton formul una expresin matemtica para determinar la actividad de la arcilla. Para la ecuacin 5.3, el % de arcilla que se emplea es el porcentaje de masa de todos los tamaos menores a 0.002mm presentes en la muestra de suelo.

Ecuacin 5.5 Ecuacin de Actividad.

Atterberg consider otros lmites aparte de los ya mencionados, estos son:

1- Lmite de Adhesin: Es de importancia en la agricultura pues define la cantidad de agua para la que una arcilla no se adhiere a una placa metlica.

2- Lmite de Cohesin: Es la frontera para el contenido de humedad, para la cual, los grumos de arcilla ya no poseen adherencia entre ellos.

3- Lmite de Contraccin: Es el contenido de agua, para el cual, el peso del suelo no disminuye al seguirse secando. Tambin puede definirse como la frontera entre un estado semislido y uno slido.

Los lmites de consistencia tienen mayor trascendencia cuando se aplican en las graficas planteadas por Arthur Casagrande, quin plante un mtodo para la identificacin y clasificacin de suelos, que aparte de tener en cuenta la granulometra, comprometa los lmites de consistencia a travs de la siguiente grfica:

Figura 5.3 Grafico de Casagrande.

6. METODOLOGIA

DETERMINACIN DEL LMITE LQUIDO DE LOS SUELOS.

Materiales.

1. Recipiente de aluminio de aproximadamente 11,5 cm (4") de dimetro.

2. Esptula de hoja flexible y preferiblemente ms larga con un ancho de 3 cm.

3. Aparato del Lmite Lquido conocido comnmente como cascador de Casagrande de operacin manual, el cual tiene una cazuela de bronce y construido de acuerdo con las dimensiones sealadas en (Figura 1)

Ranurador.

Figura 1- Aparato manual para lmite lquido[footnoteRef:3]. [3: Tomado en Sep. de 2014 de la Norma I.N.V. E 125 07 para determinacin del lmite lquido de los suelos.]

4. Un ranurador curvo (trapezoidal), conforme con las dimensiones exactas indicadas en las (Figura 1). El calibrador no tiene que ser parte del ranurador.

5. Recipientes hechos de material resistente a la corrosin, y cuya masa no cambie con calentamientos y enfriamientos repetidos. Deben tener tapas que ajusten bien, para evitar prdidas de humedad de las muestras antes de la pesada inicial y para evitar la absorcin de humedad de la atmsfera tras el secado y antes de la pesada final.

6. Una balanza.

7. Un horno termostticamente controlado capaz de mantener temperaturas de 110 5C (230 9F) para secar las muestras.

Pasos a seguir.

Se selecciona una muestra que pese aproximadamente 100 (g) de una porcin de material completamente mezclado que pase el tamiz de 0.425 mm (No.40), obtenido de acuerdo con el mtodo descrito en las normas INV E 106 e INV E 107 (DETERMINACIN DEL LMITE LQUIDO DE LOS SUELOS, Colombia., pgs. I.N.V. E 125 07).

Figura 2- Ranura aproximada de 1.3 cm de ancho[footnoteRef:4]. [4: Tomado en Sep. de 2014 de la Norma I.N.V. E 125 07 para determinacin del lmite lquido de los suelos.]

1. Se coloca la muestra de suelo en el recipiente de aluminio y se mezcla completamente con 15 a 20 ml de agua destilada, agitndola, amasndola y tajndola con una esptula en forma alternada y repetida.

2. Realizar ms adiciones de agua en incrementos de 1 a 3 ml y se mezcla completamente hasta formar una pasta uniforme de consistencia dura.

3. Luego se coloca una cantidad adecuada de esta mezcla en la cazuela (Figura 2) encima del punto donde sta descansa en la base y se comprime y extiende con la esptula para nivelarla y a la vez, dejarla con una profundidad de 10 mm en el punto de su mximo espesor.

4. Se divide el suelo que est en la cazuela de bronce (Figura 2) con una firme pasada del ranurador a lo largo del dimetro y a travs de la lnea central de la masa del suelo con el menor nmero de pasadas hasta un lmite de 6.

5. Se levanta y golpea la cazuela girando la manija, a una velocidad de dos (2) revoluciones por segundo, hasta que las dos mitades de la pasta de suelo se pongan en contacto en el fondo de la ranura.

NOTA: Si el suelo se sigue deslizando sobre la cazuela a un nmero de golpes inferior a 25, este ensayo no es aplicable y se deber indicar que el Lmite Lquido no se puede determinar.

6. Se registran el nmero de golpes requeridos para cerrar la ranura.

7. Se saca una porcin de este suelo que hizo contacto y se coloca en un recipiente adecuado el cual se pesa y se anota el valor.

8. Se coloca el recipiente dentro del horno hasta obtener una masa constante y se vuelve a pesar tan pronto como se haya enfriado y se anota esta masa, as como la prdida de masa debida al secamiento y la masa del agua.

9. Se repite la operacin anterior por lo menos en dos ensayos adicionales con el suelo restante en recipiente inicial.

DETERMINACIN DEL LMITE PLSTICO DE LOS SUELOS.

Materiales.

1. Esptula de hoja flexible y preferiblemente ms larga con un ancho de 3 cm.

2. Recipiente de aluminio de aproximadamente 11,5 cm (4") de dimetro.

3. Una balanza.

4. Aparato de enrollamiento En el caso de la prctica, se hizo de manera manual

5. Recipientes hechos de material resistente a la corrosin Como el aluminio y que no estn sujetos a cambios en su masa o a desintegracin por repetidos calentamientos y enfriamientos. Se recomienda que los recipientes tengan tapas que cierren a presin para prevenir prdidas de humedad de las muestras antes de hacer la determinacin inicial de masa y para prevenir la absorcin de la humedad de la atmsfera despus del secado y antes de la determinacin final de la masa, tapas que no se usaron en la prctica de laboratorio. Se requiere un recipiente para cada determinacin de humedad.

6. Un horno termostticamente controlado capaz de mantener temperaturas de 110 5C (230 9F) para secar las muestras.

7. Tamiz de 425 m (No.40), que se us para la muestra de suelo en la prctica de laboratorio, el suelo ya vena tamizado.

8. Agua destilada.

9. Superficie lisa Para amasado y enrollamiento. Usualmente se utiliza un vidrio grueso esmerilado.

Figura 3. Horno elctrico con temperatura controlada[footnoteRef:5]. [5: Imagen tomada en el laboratorio de suelos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Bogot - horno elctrico con temperatura controlada.]

Pasos a seguir

1. Se toman aproximadamente 20 g de la muestra que pase por el tamiz de 425 m (No.40), obtenidos de acuerdo con las normas INV E 106 o INV E 107 (Preparacin en seco y en hmedo de muestras de suelo para anlisis granulomtrico y determinacin de las constantes fsicas).

2. Se amasa con agua destilada hasta que pueda formarse con facilidad una esfera con la masa de suelo y se toma una porcin de unos 6 g como muestra para el ensayo.

3. De dicha porcin se toman de 1.5 a 2.0 g y se forma una masa elipsoidal.

4. Formar rollos de masa de suelo de 3 mm de dimetro de manera manual.

5. Cuando alcance el dimetro mencionado se divide en seis u ocho trozos que se juntan y se aprietan entre los pulgares y dedos de ambas manos formando una masa uniforme de forma elipsoidal y se enrolla de nuevo.

6. Se repite este procedimiento hasta que el rollo se desmorone bajo la presin requerida para el enrollamiento y el suelo no pueda ser rotado para formar el rollo.

7. Se unen las porciones de suelo desmoronado y se colocan en un recipiente previamente pesado.

8. Luego se repiten las operaciones descritas hasta que se consigan 8 g.

9. Se determina el contenido de humedad del suelo en los recipientes de acuerdo con la norma INV E 122, teniendo en cuenta el peso seco del espcimen.

7. RESULTADOS

Datos

No. Golpes

40

25

13

Recipiente No.

109

51

20

Peso del suelo hmedo + peso del recipiente (g)

16,90

19,60

18,98

Peso del suelo seco + peso del recipiente (g)

12,90

14,16

13,37

Peso del recipiente (g)*

7

7

7

Tabla 1. Datos para la determinacin del lmite lquido

Recipiente No.

166

137

Peso del suelo hmedo + peso del recipiente (g)*

18

19

Peso del suelo seco + peso del recipiente (g)

15,70

16,87

Peso del recipiente (g)*

10

11

Tabla 2. Datos para la determinacin del lmite plstico

* El peso fue medido en una balanza que no usaba decimales.

Figura 1. Muestra inicial de suelo

Clculos

Para el determinar el lmite lquido se debe en primer lugar determinar las tres humedades, una para cada nmero de golpes. La humedad () en porcentaje est definida como:

Ww: (Peso del suelo hmedo + peso del recipiente) (Peso del suelo seco + peso del recipiente)

Ws: (Peso del suelo seco + peso del recipiente) (Peso del recipiente)

As,

No. Golpes

40

25

13

Humedad (%)

67,80

75,98

88,07

Tabla 3. Datos para la determinacin del lmite lquido

Figura 2. Muestras para el lmite lquido en estado seco

A continuacin se grafican el nmero de golpes en las abscisas y la humedad (%) en las ordenadas. Los tres puntos graficados, en teora, deberan seguir una tendencia lineal.

Figura 3. Humedad en funcin del nmero de golpes

Como el lmite lquido hace referencia a la humedad del suelo cuando se tienen 25 golpes, slo hay que evaluar x=25 en la ecuacin de la lnea de tendencia producida tras la interpolacin.

LL = -0,742(25) + 96,58

LL = 78,03 %

Para determinar el lmite plstico se debe en primer lugar determinar las humedades de las dos muestras de rollitos, haciendo el mismo clculo que el hecho para el lmite lquido.

1ra humedad = 40,35 %

2da humedad = 36,29 %

El lmite plstico ser el promedio de estos dos valores, es decir:

LP = 38,32 %

Figura 4. Muestras para el lmite plstico en estado seco

Una vez calculados el lmite lquido y el lmite plstico, se puede calcular el ndice de plasticidad:

IP = LL LP = 39,71

8. ANLISIS DE RESULTADOS

El material usado para este ensayo, como se puede ver en una de las imgenes posteriores, posea una coloracin gris oscura y tena rastros de vegetacin muerta, pero no al grado de ser considerado el suelo como una turba (altamente orgnico).

De la forma en la que se nos fue entregado el material, y la forma en la que se comportaba ste durante las adiciones de agua posteriores, se vio que el suelo mostraba un alto grado de plasticidad y compresibilidad ante la presin ejercida por los dedos y durante los moldeos.

En trminos cuantitativos, la plasticidad del suelo puede definirse tomando como referencia la clasificacin hecha por Burmister (1949):

ndice de plasticidad (IP)

Plasticidad

0

Sin plasticidad

1 5

Ligeramente plstico

5 10

Plasticidad baja

10 20

Plasticidad media

20 40

Plasticidad alta

> 40

Plasticidad muy alta

Tabla 4. Clasificacin de la plasticidad

Sabiendo que el suelo estudiado tiene un ndice de plasticidad de 39.71, y siguiendo la clasificacin dada anteriormente, se ve que el suelo tiene una plasticidad alta, hecho que concuerda con las suposiciones hechas con anterioridad cuando se palp al material.

Con la informacin que se tiene tambin es posible clasificar el suelo. Casagrande (1932) estudi la relacin del ndice de plasticidad respecto al lmite lquido de una amplia variedad de suelos naturales. Con base en los resultados de pruebas, propuso una carta de plasticidad, con la que es posible clasificar a nuestro suelo; esta carta se muestra a continuacin:

Figura 5. Carta de plasticidad

Sabiendo que el lmite lquido es de 78.03 y que el ndice de plasticidad es de 39.71, se puede ver en la carta de plasticidad que el suelo podra ser un MH (limo inorgnico de alta plasticidad) o un OH (limo o arcilla inorgnicos de alta plasticidad); pero como el suelo dio muestras de poseer materia orgnica, este se clasifica como un OH. Desde el punto de vista ingenieril, el suelo debera ser inaceptable por sus deficientes prestaciones de soporte, ya que como se mencion una vez, es demasiado compresible.

9. CONCLUSIONES

Segn ellmite deliquidez obtenidoigual al78.03 da cuentade un suelo que tiene un contenido de agua natural mayor que el lmite plstico 39.71 esto es una caracterstica de los suelos que se encuentran comosuelonormalmenteconsolidado. Al ser un suelo normalmente consolidado va a presentar bajas resistencias y medianos asentamientos.

Con estos datos se pudo ver en la carta de plasticidad que este suelo podra ser un MH MH (limo inorgnico de alta plasticidad) o un OH (limo o arcilla inorgnicos de alta plasticidad); pero como el suelo dio muestras de poseer materia orgnica, por lo tanto, este se clasific como un OH. Ahora, como ya e mencion en el anlisis desde el punto de vista ingenieril, este suelo es inaceptable por sus deficientes prestaciones de soporte, ya que es demasiado compresible.

El ndice de plasticidad obtenido fue de 39.71, esto da cuenta de que este suelo tiene una plasticidad alta. Hecho que concuerda con las suposiciones planteadas al inicio del laboratorio al palpar el material.

10. BIBLIOGRAFA

LAMBE, T. William; WHITMAN V., Robert. Mecnica de suelos. EDITORIAL Limusa. 1991

JUREZ BADILLO, Eulalio: Tomo 1: Fundamentos de Mecnica de Suelos. EDITORIAL Limusa. 2005.

BERRY, L. Peter; REID, David. Mecnica de Suelos. EDITORIAL: McGRAW-HILL

40251367.875.9888.07

Nmero de golpes

Humedad (%)