jueves, 25 de noviembre de 2010

Cálculo del índice de grupo

Para evaluar la calidad de un suelo como material para terraplenes, subrasantes, subbases y bases de las carreteras, se debe añadir índices de grupo (IG). Este índice es escrito entre paréntesis después de la designación del grupo o subgrupo, como por ejemplo A-2-6 (3), A-4 (5), A-6 (12), A-7-5 (17), etc. A continuación se detalla la forma de cálculo del índice de grupo y de las consideraciones que se deben tomar en cuenta.

1. El índice de grupo es calculado a partir de la siguiente ecuación empírica:

           [2.3]

Donde:
F200 = Porcentaje que pasa a través del tamiz Nº 200, expresado como número entero.
LL = Límite líquido.
IP = Índice de plasticidad.

2. El primer término de la ecuación: “ 

es el índice parcial de grupo determinado con el límite líquido. El segundo término: “ 

 ” es el índice parcial de grupo determinado con el índice de plasticidad. Sin embargo también se puede determinar el índice de grupo a partir del ábaco mostrado el la Figura 2.3, determinando los índices de grupo parciales debidos al LL y al IP.

3. Si el resultado del índice de grupo calculado es un valor negativo, entonces el índice de grupo (IG) será: IG = 0.

4. Si el suelo no es plástico y no se puede determinar el Límite líquido, entonces el índice de grupo (IG) será: IG = 0. Este es el caso de los de los suelos A-1-a, A-1-b, A-2-4,  A-2-5 y A-3, en donde su índice de grupo siempre es cero.

5. Si el valor del índice de grupo calculado resulta ser un número decimal, se redondea al número entero más cercano según los siguientes criterios matemáticos.

·         Si la parte decimal es menor que 0.5 entonces se elimina, e.g. si IG = 3.4 se redondea a 3.
·         Si la parte decimal es mayor que 0.5 entonces se aumenta en una unidad al número entero, e.g. si IG = 3.6 se redondea a 4.
·         - Si la parte decimal es igual a 0.5 entonces se redondea al número entero par más próximo, e.g. si IG = 3.6 se redondea a 4 y si IG = 4.5 se redondea a 4.

6. El índice de grupo de los suelos A-2-6 y A-2-7 debe calcularse utilizando solo la porción del IP:

                                                   [2.4]
En el caso de usarse el ábaco, observe que en la parte superior de la medida derecha se encuentra un rango para los suelos A-2-6 y A-2-7, cuando trabaje con estos subgrupos el índice de grupo (IG) resultara ser el valor del índice parcial de grupo para IP.

7. El índice de grupo no tiene límite superior.

Los índices de grupo de los suelos granulares están generalmente comprendidos entre 0 y 4, los correspondientes a los suelos limosos, entre 8 y 12 y los suelos arcillosos, entre 11 y 20, o más. Los valores del índice de grupo, deben ser utilizados solo para comparar suelos dentro el mismo grupo y no entre grupos diferentes. Es decir que por ejemplo no se pueden comparar un suelo A-3 (0) y un suelo A-2-7 (3), por el valor del índice de grupo. Sin embargo si se pueden comparar un suelo A-3 (0), con un suelo A-3 (3), donde por del valor del índice de grupo se puede deducir que el suelo A-3 (0) es de mejor calidad que el suelo A-3 (3), por tener este un valor del índice de grupo menor (0 < 3).
La ecuación empírica del índice de grupo diseñada para conseguir una evaluación aproximada de los suelos del mismo grupo, en los materiales granulares arcillosos, y los materiales limo arcillosos, se basa en las siguientes suposiciones:

·         Los materiales que se encuentran en los grupos A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-5 y A-3 son adecuadas como subrasantes cuando están adecuadamente drenados y compactados bajo un espesor moderado de pavimento (base y carpeta de rodadura) de un tipo adecuado para el tráfico que soportará, o que puede adecuarse por adiciones de pequeñas cantidades de ligantes naturales o artificiales.
·         Los materiales granulares arcillosos de los grupos A-2-6 y A-2-7 y los materiales limosos y arcillosos de los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7, pueden clasificarse para su utilización en subrasantes desde adecuadas como materiales de súbase equivalentes a las categorías A-2-4 y A-2-5, hasta regulares e inadecuadas hasta el punto de requerir una capa de subbase o una capa mayor de subbase que la requerida en el anterior caso (1), para proporcionar un adecuado soporte a las cargas de tráfico.
·         Se supone que un 35% o más de material que pasa el tamiz Nº 200 (0.0075 mm.) es crítico si se omite la plasticidad, pero el mínimo crítico es solo el 15% cuando se ve afectado por IP mayor que 10.
·         Se supone que el LL igual o mayor que 40% es crítico.
·         Se supone que el IP igual o mayor que 10% es crítico.
El ábaco de la Figura 2.3 ha sido elaborado en 1978 por la AASHTO. Para utilizarlo, nótese que en el extremo derecho se encuentra una medida que corresponde al porcentaje de material que pasa a través del tamiz Nº 200 de la muestra de suelo. Se parte de un punto de esa medida trazando una línea recta que intercepte a un punto de la medida del límite líquido que a su vez esta misma línea interceptará a un punto de la medida del índice parcial de grupo. De igual manera se realizada pero para el índice de plasticidad, obteniendo así dos valores de índice parcial de grupo (uno para LL y otro para IP). Finalmente el índice de grupo será la suma de los dos índices parciales de grupo. 
 
Figura 2.3.  Ábaco para el calculo del índice de grupo (Norma ASTM, 2003).

Procedimiento de clasificación.

1. Clasificar el suelo en un grupo o subgrupo, apropiado, o en ambos, de acuerdo con las Tablas 2.7(a) y 2.7(b), a partir de los resultados de los ensayos determinados. Para saber que tabla usar, se necesita conocer, que porcentaje de suelo de la muestra pasa a través del tamiz Nº 200, en la parte superior de cada tabla se especifica un porcentaje, que es un requisito que debe cumplir la muestra de suelo para poder utilizar la tabla.

2. Una vez elegida la tabla correcta se beben aplicar los datos de los ensayos requeridos de izquierda a derecha mediante un proceso de eliminación, el primer grupo en que los datos se ajusten adecuadamente es la clasificación correcta. Debido a esto es que en la Tabla 2.7(a), el grupo A-3 va primero que el A-2, esto no quiere decir que el grupo A-3 sea mejor que el A-2.

La Figura 2.2 es una forma más fácil y rápida de clasificar aproximadamente los materiales limo-arcillas, en base a los valores de LL y de IP. Todos los valores de los límites de consistencia se presentan como números enteros. Si aparecen números fraccionarios en los informes del ensayo, aproxímelos al número entero más próximo para utilizarlo en la clasificación.
Figura 2.2.  Variación del límite líquido e índice de plasticidad para los suelos de los grupos A-2, A-4, A-5, A-6 y A-7 (Norma ASTM, 2003).
 
Tabla 2.7. Clasificación de suelos sistema AASHTO. (a) Material granular; (b) Material fino.

En la Figura 2.2 se muestra el gráfico del rango de límite líquido y el índice de plasticidad para suelos que caen dentro de los grupos A-2, A-4, A-5, A-6 y A-7, esto da una aproximación importante para clasificar el suelo. No hay que olvidar que el Suelo A-2 contiene menos del 35% de finos que pasan por el tamiz Nº 200, es decir que esta tabla no es solo para material fino.

Características del sistema de clasificación AASHTO (ASTM D-3282).

1. Clasifica a los suelos en tres principales categorías:

·         Suelos granulares. Son suelos cuyo porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 es menor o igual al 35% del total de la muestra. Estos suelos constituyen los grupos A-1, A-2 y A-3.
·         Suelos limo-arcilla o material fino. Son suelos cuyo porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 es mayor al 35% del total de la muestra. Estos suelos constituyen los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7.
·         Suelos orgánicos. Son los suelos que están constituidos principalmente por materia orgánica. Este tipo de suelos constituye el grupo A-8.

2. Adopta el siguiente rango de tamaño de partículas:

·         Cantos rodados. Son fragmentos de roca, usualmente redondeados por abrasión, que son retenidos en el tamiz de 3” (75 mm).
·         Grava. Es la fracción que pasa el tamiz de 3” (75 mm) y es retenido en el tamiz Nº 10 (2 mm).
·         Arena. Es la fracción que pasa el tamiz Nº 10 (2 mm) y es retenido en el tamiz Nº 200 (0.075 mm).
·         El limo y la arcilla. Son partículas que pasan el tamiz Nº 200 (0.075 mm).

3. Establece un rango del índice de plasticidad que diferencia a los suelos limosos de los suelos arcillosos.
·         El término limoso es aplicado a la fracción fina del suelo que tiene un índice de plasticidad de 10 o menos.
·         El término arcilloso es aplicado cuando la fracción fina tiene un índice de plasticidad de 11 o más.

4. Considera solo la porción de suelo que pasa a través del tamiz de 75 mm. Si existieran partículas mayores (guijarros y cantos rodados), estas son excluidas de la muestra de suelo que será clasificado, sin embargo el porcentaje de ese material debe ser medido y anotado junto con el resultado de la clasificación.

Sistema de clasificación AASHTO.




El sistema de clasificación AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) (Designación ASTM D-3282; método AASHTO M145) es uno de los primeros sistemas de clasificación de suelos, desarrollado por Terzaghi y Hogentogler en 1928. Este sistema pasó por varias revisiones y actualmente es usado para propósitos ingenieríles enfocados más en el campo de las carreteras como la construcción de los terraplenes, subrasantes, subbases y bases de las carreteras. Sin embargo es necesario recordar que un suelo que es bueno para el uso de subrasantes de carreteras puede ser muy pobre para otros propósitos.
Este sistema de clasificación está basado en los resultados de la  determinación en laboratorio de la distribución del tamaño de partículas, el límite líquido y el límite plástico.
La evaluación de los suelos dentro de cada grupo se realiza por medio de un índice de grupo, que es un valor calculado a partir de una ecuación empírica. El comportamiento geotécnico de un suelo varía inversamente con su índice de grupo, es decir que un suelo con índice de grupo igual a cero indica que es material “bueno” para la construcción de carreteras, y un índice de grupo igual a 20 o mayor, indica un material “muy malo” para la construcción de carreteras.
 Los suelos clasificados dentro los grupos A-1, A-2 y A-3 son materiales granulares de los cuales 35% o menos de las partículas pasan a través del tamiz Nº 200. Los suelos que tienen más del 35% de partículas que pasan a través del tamiz Nº 200 se clasifican dentro de los grupos de material fino A-4, A-5, A-6 y A-7. Estos suelos son principalmente limo y materiales de tipo arcilla.

Procedimiento para la clasificación de suelos.

Para clasificar un suelo por el sistema unificado se tiene que proceder de la siguiente manera:

1. Determinar si el suelo es altamente orgánico (turba), en tal caso es clasificado por inspección visual como Pt (Tabla 2.1). Este tipo de suelo trae muchos problemas a los ingenieros, por su alta compresibilidad y muy baja resistencia al corte, pero es muy fácil de identificar según a sus siguientes características notorias:

·         Compuesto principalmente de material orgánico (material fibroso).
·         Color café oscuro, gris oscuro, o color negro.
·         Olor orgánico, especialmente cuando esta húmedo.
·         Consistencia suave.

Para todos los demás suelos se procede de la siguiente manera:
2. Determinar los ensayos en laboratorio de tamizado, límite líquido e índice de plasticidad.
3. Del análisis granulométrico se debe determinar el porcentaje que pasa por los tamices de 3” (75 mm), Nº 4 (4.75 mm) y Nº 200 (0.075 mm).

4. A partir de los porcentajes que pasan por los tamices, se puede hallar el porcentaje retenido en cada tamiz de la siguiente manera:
R200 = 100 - F200
R4 = 100 - F4
R3” = 100 - F3”
5. Si el 100% del total de la muestra pasa por el tamiz de 3” (75 mm), ir al paso 6 caso contrario calcular el porcentaje de material retenido o con diámetro mayor a este tamiz y al final del ensayo de clasificación anotar junto al resultado el porcentaje de este material retenido (cantos rodados y/o guijarros) incluyendo el tamaño máximo de partícula.

6. Determinar si el peso retenido en el tamiz Nº 200 (R200) es mayor, menor o igual al 50% del peso total de la muestra seca:
Si:
R200 > 50          Entonces se tiene un suelo de grano grueso, ir al paso 7.
R200 ≤ 50          Entonces se tiene un suelo de grano fino, ir al paso 9.

7. Si el suelo es de grano grueso, se debe determinar si la relación entre el porcentaje de suelo retenido en el tamiz Nº4 y el tamiz Nº 200 es mayor, menor o igual a 0.5:

Si:
       El suelo es gravoso.
      El suelo es arenoso.

8. A partir de los resultados de laboratorio se determinan todos los valores de los parámetros requeridos en la Tabla 2.1 para poder clasificar el suelo, como por ejemplo el coeficiente de gradación, coeficiente de uniformidad, límite líquido e índice de plasticidad y en el suelo que se ajuste a todos los criterios es el símbolo de grupo correcto.
9. Si el suelo es de grano fino a partir de los resultados en laboratorio del límite liquido e índice de plasticidad se procede a clasificar el suelo según la Tabla 2.1 y en el suelo que se ajuste a todos los criterios es el símbolo de grupo correcto.

La designación ASTM D-2487 además creó un sistema para asignar nombres de grupo a los suelos, esto con el fin de dar una identificación más precisa a los suelos clasificados. Estos nombres de grupo están reunidos en las Tablas 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6 y son explicadas a continuación:
·         Para suelos gravosos, ir a la Tabla 2.2 para encontrar el nombre de grupo.

Donde: 
SF = fracción de arena = R200 - GF
GF = fracción de grava = R4
·         Para suelos arenosos, ir a la Tabla 2.3 para encontrar el nombre de grupo.
·         Para suelos finos inorgánicos, ir a la Tabla 2.4 para encontrar el nombre de grupo.
·         Para suelos finos orgánicos, ir a la Tabla 2.5 para encontrar el nombre de grupo.
Una vez ya clasificado el suelo, es decir ya hallado el símbolo y nombre de grupo adecuados, el reporte debe incluir el nombre de grupo, símbolo de grupo y los resultados de los ensayos de laboratorio. En la distribución del tamaño de partículas deben estar los porcentajes de grava, arena y finos. El informe se coloca de la siguiente manera, primero se pone el símbolo de grupo correspondiente al suelo entre de la paréntesis, seguido del nombre de grupo y demás resultados, como por ejemplo para un suelo clasificado con un símbolo de grupo GC, y un nombre de grupo, grava arcillosa con arena, pero con una considerable cantidad de guijarros en la muestra de suelo inicial, se escribirá de la siguiente manera:
Suelo (GW) Grava arcillosa con arena y guijarros.








Sistema de clasificación unificado (USCS).

El sistema de clasificación unificado USCS (Unified Soil Classification System), designación ASTM D-2487, originalmente fue desarrollado por A. Casagrande (1948) para la construcción de aeródromos durante la segunda guerra mundial. Este sistema de clasificación fue posteriormente modificado en 1952 por el mismo autor y el cuerpo de ingenieros de la armada de los Estados Unidos quienes hicieron que este sistema sea más aplicable a los propósitos ingenieríles, es decir que ya no era solo aplicable al campo de la aviación. Este sistema de clasificación actualmente goza de amplia aceptación y es el preferido por la mayor parte de los ingenieros en todo el mundo.
El sistema de clasificación USCS está basado en la determinación en laboratorio de la distribución del tamaño de partículas, el límite líquido y el índice de plasticidad. Este sistema de clasificación también se basa en la gráfica de plasticidad, que fue obtenida por medio de investigaciones realizadas en laboratorio por A. Casagrande (1932). El significado y uso de esta gráfica de plasticidad es explicada en forma más detallada en el capítulo uno.
Este sistema de clasificación presenta las siguientes características:

1. Características del sistema de clasificación unificado (ASTM D-2487)

1.1 Clasifica a los suelos en cuatro principales categorías, cada una de estas categorías usa un símbolo que define la naturaleza del suelo:

·         Suelos de grano grueso. Son de naturaleza tipo grava y arena con menos del 50% pasando por el tamiz Nº 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G para la grava o suelo gravoso del inglés “Gravel” y S para la arena o suelo arenoso del inglés “Sand”.
·         Suelos de grano fino. Son aquellos que tienen 50% o más pasando por el tamiz Nº 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo M para limo inorgánico del sueco “mo y mjala”, C para arcilla inorgánica del inglés “Clay”.
·         Suelos orgánicos. Son limos y arcillas que contienen materia orgánica importante, a estos se los denomina con el prefijo O del inglés “Organic”.
·         Turbas. El símbolo Pt se usa para turbas del inglés “peat”, lodos y otros suelos altamente orgánicos.

1.2. Presenta las siguientes definiciones, según el tamaño y naturaleza de las partículas del suelo:

·         Cantos rodados. Partículas de roca que no pasan una malla con abertura cuadrada de 12” (300 mm).
·         Guijarros. Partículas de roca que pasan una malla con abertura cuadrada de 12” (300 mm) y quedan retenidas en un tamiz de 3” (75 mm).
·         Grava. Partículas de roca que pasan el tamiz de 3" (75 mm) y quedan retenidas en el tamiz Nº 4 (4.75 mm), con las siguientes subdivisiones:

- Gruesa. Partículas que pasan el tamiz de 3” (75 mm) y quedan retenidas en el tamiz de ¾” (19 mm.).
- Fina. Partículas que pasan el tamiz de ¾” (19 mm) y quedan retenidas en el tamiz Nº 4 (4.75 mm).

·         Arena. Partículas de roca que pasan el tamiz Nº 4 (4.75 mm) y son retenidas en el tamiz Nº 200 (0.075mm), con las siguientes subdivisiones:

- Gruesa. Partículas que pasan el tamiz Nº 4 (4.75 mm) y son retenidas en el tamiz Nº 10 (2 mm).
- Media. Partículas que pasan al tamiz Nº 10 (2 mm.) y son retenidas en el tamiz Nº 40 (0.425 mm).
- Fina. Partículas que pasan el tamiz Nº 40 (0.425 mm) y son retenidas en el tamiz Nº 200  (0.075 mm).

·         Arcilla. Suelo que pasa por el tamiz Nº 200 (0.075 mm), el cual exhibe plasticidad dentro de un cierto intervalo de humedad, pero que muestra considerable resistencia cuando se seca al aíre. Para su clasificación, una arcilla es un suelo de grano fino, o la porción fina de un determinado suelo, con propiedades plásticas.
·         Limo. Suelo que pasa el tamiz Nº 200 (0.075 mm), de naturaleza no-plástica o ligeramente plástica y que exhibe poca o ninguna resistencia cuando se seca al aíre. Para su clasificación, un limo es un suelo de grano fino o la porción fina de un determinado suelo, con ninguna o muy poca plasticidad.
·         Arcilla Orgánica. Es una arcilla con suficiente contenido de matera orgánica como para influir en las propiedades del suelo. Para su clasificación, una arcilla orgánica es un suelo que es clasificado como arcilla, excepto que el valor de su límite líquido después de secado en el horno es menor que el 75% de este valor antes de ser secado.
·         Limo Orgánico. Es un limo con suficiente contenido de materia orgánica como para influir en las propiedades del suelo. Para su clasificación, un limo orgánico es un suelo que es clasificado como limo, excepto que el valor de su límite líquido después de secado en el horno es menor que el 75% de este valor antes de ser secado.
·         Turba. Es un suelo compuesto principalmente de materia vegetal en diferentes estados de descomposición, usualmente con olor orgánico, color entre marrón oscuro a negro, consistencia esponjosa, y contextura que varía de fibrosa hasta amorfa.
1.3. Para este sistema de clasificación son también usados sufijos que identifican algunas características particulares del suelo:

·         W. Bien gradado del inglés “Well graded”.
·         P. Mal gradado del inglés “Poorly graded”.
·         L. Baja plasticidad, límite líquido menor a 50%, del inglés “Low plasticity”.
·         H. Alta plasticidad, límite líquido mayor a 50%, del inglés “High plasticity”.

Con los prefijos y sufijos anteriormente mencionados se pueden hacer combinaciones que ayudan a describir de mejor manera el suelo en cuestión, por ejemplo a una arena S, si tuviera la característica de estar bien gradada será SW, de la misma manera un limo M, con una alta plasticidad se simbolizara MH.

1.4. Un símbolo doble. Corresponde a dos símbolos separados por un guión, e.g. GP-GM, SW-SC, CL-ML, los cuales se usan para indicar que el suelo tiene propiedades de dos grupos. Estos se obtienen cuando el suelo tiene finos entre 5 y 12% o cuando las coordenadas del límite líquido y el índice de plasticidad caen en el área sombreada CL-ML de la carta de plasticidad. La primera parte del doble símbolo indica si la fracción gruesa es pobremente o bien gradada. La segunda parte describe la naturaleza de los finos. Por ejemplo un suelo clasificado como un SP-SM significa que se trata de una arena pobremente gradada con finos limosos entre 5 y 12%. Similarmente un GW-GC es una grava bien gradada con algo de finos arcillosos que caen encima la línea A.

1.5. Un símbolo de frontera. Corresponde a dos símbolos separados por el símbolo divisorio (/) y deberá usarse para indicar que el suelo cae muy cerca de la línea de división entre dos símbolos de grupo. En estos casos es aceptable el uso de ambos símbolos en la clasificación, con el símbolo de grupo “correcto” por delante seguido del símbolo de grupo “casi correcto”. Por ejemplo, una combinación de arena – arcilla con ligeramente un poco menos del 50% de arcilla podría ser identificada como SC/CL, de la misma manera pasa con otros tipos de suelos como por ejemplo CL/CH, GM/SM.

1.6. La línea “U”. Mostrada en la  ha sido determinada empíricamente en base a análisis de suelos extremos, para ser el “límite superior” de suelos naturales, por lo que no deberían obtenerse resultados por encima de esta línea. Esta línea es una buena manera de comprobar que los datos no sean erróneos y algunos resultados de ensayos que caigan arriba o a la izquierda deben ser verificados. La ecuación de la línea U es:

IP = 0.9·(LL - 8)                                                                       [2.1]

1.7. En casos donde el límite líquido excede de 110% o el índice de plasticidad excede de 60%, la gráfica de plasticidad puede ser expandida pero manteniendo igual escala en ambos ejes y extendiendo la línea “A” con la misma pendiente, ver. La ecuación de la línea A es:

IP = 0.73·(LL -20)                                                                   [2.2]

1.8. Este sistema de clasificación solo considera la porción que pasa a través del tamiz de 3” (75 mm) para la realización de los ensayos de clasificación en laboratorio. Las partículas mayores a este diámetro deberán ser retiradas de la muestra a ensayar en laboratorio, pero el porcentaje de estas partículas debe ser anotado y colocado en los resultados finales de la clasificación.

1.9. El índice de plasticidad y el límite líquido son determinados con material que pasa el tamiz de Nº 40 (0.425 mm).

1.10. La línea de división entre el bajo y alto límite líquido es tomada arbitrariamente como 50%, ver.

1.11. Puede ser necesario una extrapolación lineal en la curva de distribución de tamaño de partículas para obtener el diámetro efectivo, D10.

Clasificación de suelos.

Debido a la gran variedad de suelos que pueden encontrarse en la corteza terrestre es que se han desarrollado varios sistemas de clasificación para poder identificarlos, elaborados de acuerdo a la aplicación que se les da a los mismos. El clasificar un suelo consiste en agrupar al mismo en grupos y/o subgrupos de suelos que presentan un comportamiento semejante con propiedades ingenieríles similares.
En este capítulo se analizaran el sistema de clasificación Unificado USCS y el sistema de clasificación AASHTO, que son los sistemas de clasificación más utilizados por la mayor parte de los ingenieros de todo el mundo.
El sistema de clasificación AASHTO está especialmente hecho para la construcción de carreteras, en cambio el sistema de clasificación Unificado USCS, no esta limitado a ninguna clase de proyectos en particular y es usado para toda la gama de obras civiles.
Tanto el sistema de clasificación Unificado como el AASHTO consideran como suelo (conjunto de partículas sólidas, con líquido y agua en sus poros) a la parte que pasa por el tamiz de 3” (75 mm.), ya que las partículas más grandes a este diámetro son consideradas como partículas aisladas que ya no forman parte del suelo.

martes, 23 de noviembre de 2010

Limites de Atterberg: Índice de consistencia (CI)

Con el índice de consistencia puede evaluarse la consistencia actual que presenta el suelo en base al límite líquido, índice de plasticidad y el contenido de humedad actual que presente el suelo, que es:

Donde:
CI = Índice de consistencia del suelo.
w = Contenido de humedad actual del suelo.
LL = Límite líquido.
IP = Índice de plasticidad.

En la Tabla 1.16 se muestran valores característicos de los límites de Atterberg para algunos minerales de arcilla comúnmente encontrados en los suelos finos.

Tabla 1.16. Valores de los límites de Atterberg para los minerales de arcilla (Mitchell, 1976).

Limites de Atterberg: Contracción

Un suelo fino que contenga en su mayor parte partículas compuestas de minerales de arcilla variará de volumen de acuerdo a su contenido de humedad, por lo tanto a medida que aumente el contenido de humedad también proporcionalmente aumentará su volumen, la Figura 1.36 muestra la relación entre el contenido de humedad y el volumen del suelo.
 
Figura 1.36. Variación del volumen respecto al contenido de humedad.

Los cambios de volumen con respecto al contenido de humedad obedecerán la trayectoria que se muestra en la Figura 1.36, al cambio de volumen por pérdida de humedad se lo llama contracción del suelo.

Determinación del límite de contracción (LC).

El límite de contracción es un contenido de humedad específico que divide la consistencia sólida de la semisólida del suelo y establece el contenido de humedad máximo que el suelo tolera antes de sufrir cambios en su volumen, este límite será:

LC = w0 Dw                                                                           [1.57]
Donde:
LC = Límite de contracción del suelo.
w0 = Contenido de humedad del suelo en consistencia líquida.
Dw = Cambio del contenido de humedad durante la contracción.

Puede determinarse el límite de contracción para suelos que tienen un tamaño de partículas que pasan el tamiz Nro. 40, para lo cual la muestra de suelo debe ser humedecida lo suficiente hasta que alcance una consistencia líquida, entonces se procede a determinar el contenido de humedad de una parte de la muestra suelo para ese estado que será: w0.
La otra parte de la muestra es vaciada en un cilindro cerámico de tal forma que quede completamente lleno del suelo, este cilindro previamente es cubierto con un gel de petróleo (vaselina) para evitar que él suelo se adhiera a él, como se muestra en la Figura 1.37a.
 
Figura 1.37. Determinación del límite de contracción (Das, 1998).
(a) Muestra de suelo en consistencia líquida. (b) Muestra de suelo sin contenido de humedad.

Se deja secar al aire la muestra en el cilindro cerámico por 6 horas, luego debe completarse el secado del suelo en horno. La Figura 1.37b muestra que como resultado de la pérdida de humedad el suelo quedará reducido en volumen, se determina la masa de suelo para esta condición que será: MF.
Para determinar el cambio del contenido de humedad primero deben determinarse el volumen inicial del suelo antes de perder humedad y después que ha perdido toda su humedad. El volumen inicial del suelo se determinará vaciando mercurio al cilindro cerámico vacío hasta que esté completamente lleno, conociendo la gravedad específica del mercurio y el peso que ocupa este en el cilindro, se determina el volumen que ocupa este que será: Vi.

Para determinar el volumen final se introduce la muestra seca de suelo en el cilindro lleno de mercurio, la masa del mercurio que es desplazado por el suelo será: Md.
Entonces el volumen final del suelo (VF) será:

El cambio de contenido de humedad que experimenta el suelo durante la etapa de contracción, entre el contenido inicial y el contenido en el límite de contracción será:
 
El límite contracción proporciona indicios de la estructura de las partículas del suelo, puesto que una estructura dispersa suele producir un límite de contracción bajo y una estructura floculante origina un límite de contracción elevado (Whitlow, 1994).
Casagrande sugiere que puede hacerse una estimación del límite de contracción con el gráfico de plasticidad. En la Figura 1.38 se muestra que la línea A y U interceptan en un punto de coordenadas: LL = – 43.5 y LP = – 46.5, determinando el índice de plasticidad y el límite líquido del suelo, estos pueden ser ubicados con un punto A en el gráfico de plasticidad, si se une con una línea el punto A con el punto de intersección de las líneas A y U, el punto que intercepte en el eje del límite líquido corresponderá al límite de contracción.
 
Figura 1.38. Estimación del límite de contracción con el gráfico de plasticidad (Das, 1998).

Ensayo de contracción unitaria.

En el caso de suelos que tengan muy poco contenido de partículas compuestas de minerales de arcilla, los ensayos de límite plástico y líquido pueden producir resultados no confiables. En tales casos mediante el ensayo de la contracción lineal es posible obtener una aproximación importante del índice de plasticidad, con la ecuación:

IP = 2.13 CL                                                                            [1.58]

Donde: CL es la contracción lineal del suelo.

El suelo estando en consistencia líquida es vaciado al molde pequeño que se muestra en la Figura 1.39 hasta llenarlo completamente, entonces se deja secar al aire el molde hasta que el suelo se despegue del molde y luego para completar el secado el suelo es secado en horno, de forma similar al ensayo para determinar el límite de contracción
 
Se mide la longitud de la muestra seca y se determina la contracción lineal que será:
 [1.59]

Donde:
IC = Índice de contracción del suelo.
Ms = Peso del suelo seco.
VF = Volumen final del suelo luego de ser secado.

Índice de contracción (IC).

El índice de contracción es un parámetro utilizado como indicador del cambio de volumen respecto al cambio del contenido de humedad, determinado en base al ensayo del límite de contracción, este índice será:
[1.60]
 
Donde:
IC = Índice de contracción del suelo.
Ms = Peso del suelo seco.
VF = Volumen final del suelo luego de ser secado.

Limites de Atterberg: Plasticidad

La plasticidad es una propiedad característica de los suelos finos, donde el contenido de humedad del suelo está comprendido entre el límite líquido y plástico. En este estado el suelo permite ser moldeado de manera similar a la masa o la plastilina, debido a que el contenido de humedad del suelo contiene la cantidad ideal de moléculas de agua para que la fuerza de atracción entre las partículas compuestas de minerales de arcilla sea la mayor.

Determinación del límite plástico (LP).

Puede determinarse el límite plástico para un suelo con un tamaño de partículas que pasan el tamiz Nro. 40, para lo cual debe humedecerse el suelo lo suficiente como para poder amasarlo, entonces sobre un papel seco en una superficie plana o encima de un vidrio deben formarse rollitos de unos 3 mm de diámetro como muestra la Figura 1.33a. Posteriormente los rollitos deben ser juntados en uno para ser amasados y nuevamente formar rollitos, a medida que se formen los rollitos el suelo progresivamente perderá humedad debido al papel y la mano, entonces llegará un momento cuando al formar el rollito el suelo empiece a disgregarse en su superficie y luego a fragmentarse (Figura 1.33b). En este estado cuando el suelo empieza a perder su consistencia plástica, se procede inmediatamente a determinar su contenido de humedad que este a la vez será el límite plástico del suelo, que es un contenido de humedad específico que divide la consistencia semisólida de la plástica del suelo.
 
Figura 1.33. Determinación del límite plástico (Laboratorio de geotecnia, UMSS).
(a) Realizando el rollito. (b) Rollitos de suelo empezando a fragmentarse.

Índice de plasticidad (IP).

Con el índice de plasticidad puede evaluarse el grado de amasado que permite el suelo mientras se encuentre en su consistencia plática, este índice se define como:

IP = LL - LP                                                                            [1.53]
En la Tabla 1.14 se presentan valores del índice de plasticidad para evaluar la plasticidad del suelo.

Tabla 1.14. Grado de plasticidad del suelo (Sowers, 1979).
 





Actividad (A).

Por lo general los suelos arcillosos están constituidos por un 40 a 70% de partículas que contienen minerales de arcilla que dan plasticidad al suelo. Si aumenta la cantidad de minerales de arcilla proporcionalmente también serán afectados el límite líquido y plástico del suelo. Skempton (1953) observó que el índice de plasticidad del suelo aumenta linealmente con el incremento en porcentaje de partículas de arcilla (de tamaño menor a 2 mm), esta proporción lineal variará de acuerdo al tipo de minerales de arcilla que contenga el suelo. Skempton definió una cantidad llamada actividad como la pendiente de la línea que correlaciona el índice de plasticidad y la fracción en peso de las partículas compuestas de minerales de arcilla expresada en porcentaje, que será:
 
Seed, Woodward y Lundgren (1964) realizaron diversos estudios de la influencia del porcentaje de partículas de arcilla en la plasticidad del suelo y concluyeron que la correlación entre estas está descrita por dos líneas, similares a las que se muestran en la Figura 1.34.
 
Figura 1.34. Relación entre el índice de plasticidad y el porcentaje en peso de partículas compuestas de minerales de arcilla (Seed, Woodward y Lundgren, 1964).

Estos investigadores observaron que los suelos que contienen más del 10% de su peso en partículas de arcilla presentan plasticidad. La plasticidad esta correlacionada linealmente con la cantidad de partículas de arcilla del suelo hasta un contenido del 40% en peso, donde la relación cambia a una línea que parte del origen de coordenadas. La actividad resulta ser la pendiente de la línea de correlación. En la Tabla 1.15 se muestran valores característicos de la actividad para algunas arcillas típicas.

Tabla 1.15. Actividad de las arcillas (Whilow, 1994).
 





Gráfico de plasticidad.

Casagrande (1932) estudió la relación que existe entre el índice de plasticidad y el límite líquido para una gran variedad de suelos y construyó el gráfico de plasticidad que se ve en la Figura 1.35, en este observó que las distintas variedades de suelos se agrupan ordenadamente en diversos sectores del gráfico. Empíricamente obtuvo las ecuaciones de las líneas que dividen el gráfico en las regiones donde se agrupan los tipos de suelo.
 


















Figura 1.35. Gráfico de plasticidad (Casagrande, 1932).

La línea A separa las arcillas inorgánicas de los limos inorgánicos, las arcillas inorgánicas se encuentran por encima de esta línea y los limos inorgánicos por debajo de esta. Los limos orgánicos están situados por debajo de esta línea en el intervalo de 30 a 50 del límite líquido, las arcillas orgánicas se ubican por debajo de esta línea con un límite líquido mayor a 50. La ecuación de la línea A es:

IP = 0.73 (LL – 20)                                                                  [1.55]
La línea U se ubica por encima de la línea A, esta línea es aproximadamente el límite superior de la relación del índice de plasticidad y el límite líquido para cualquier tipo de suelo conocido, aunque rara vez se ubica un suelo por encima de línea U, que tiene la ecuación:

IP = 0.9 (LL8)                                                                      [1.56]

La información que provee el gráfico de plasticidad es de gran valor para clasificar los suelos finos y poder identificarlos con facilidad.

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