Límites de Atterberg

Los límites de Atterberg son una medida básica de los contenidos críticos de agua de un suelo de grano fino: su límite de contracción, su límite plástico, y límite de líquido.

Dependiendo de su contenido de agua, el suelo puede presentarse en uno de cuatro estados: sólido, semisólido, plástico y líquido. En cada estado, la consistencia y el comportamiento del suelo son diferentes y, en consecuencia, también lo son sus propiedades técnicas. Así, el límite entre cada estado se puede definir en función de un cambio en el comportamiento del suelo. Los límites de Atterberg se pueden utilizar para distinguir entre limo y arcilla y para distinguir entre diferentes tipos de limo y arcilla. El contenido de agua al cual el suelo cambia de un estado a otro se conoce como límites de consistencia o límite de Atterberg.

Estos límites fueron creados por Albert Atterberg, un químico y agrónomo sueco, en 1911. Posteriormente fueron refinados por Arthur Casagrande, un ingeniero geotécnico estadounidense nacido en Austria y estrecho colaborador de Karl Terzaghi (ambos pioneros de la mecánica de suelos).

Las distinciones en suelos se utilizan para evaluar el suelo sobre el que se construirá una estructura. Los suelos cuando están mojados retienen agua y algunos aumentan su volumen (arcilla esmectita). La cantidad de expansión está relacionada con la capacidad del suelo para absorber agua y su composición estructural (el tipo de minerales presentes: arcilla, limo o arena). Estos ensayos se utilizan principalmente en suelos arcillosos o limosos ya que son los suelos que se expanden y contraen cuando varía el contenido de humedad. Las arcillas y los limos interactúan con el agua y, por lo tanto, cambian de tamaño y tienen diferentes resistencias al corte. Por lo tanto, estas pruebas se utilizan ampliamente en las etapas preliminares del diseño de cualquier estructura para garantizar que el suelo tendrá la cantidad correcta de resistencia al corte y no demasiados cambios de volumen a medida que se expande y contrae con diferentes contenidos de humedad.

Pruebas de laboratorio

Límite de contracción

El límite de contracción (SL) es el contenido de agua donde una mayor pérdida de humedad no dará como resultado una mayor reducción de volumen. La prueba para determinar el límite de contracción es la ASTM International D4943. El límite de contracción se utiliza con mucha menos frecuencia que los límites de líquido y plástico.

Límite de plástico

El límite plástico (PL) se determina extendiendo un hilo de la porción fina de tierra sobre una superficie plana y no porosa. El procedimiento está definido en la norma ASTM D 4318. Si el suelo tiene un contenido de humedad donde su comportamiento es plástico, este hilo conservará su forma hasta un diámetro muy estrecho. Luego se puede remodelar la muestra y repetir la prueba. A medida que el contenido de humedad disminuye debido a la evaporación, el hilo comenzará a romperse en diámetros mayores.

El límite plástico se define como el contenido de humedad gravimétrico donde el hilo se rompe en un diámetro de 3,2 mm (aproximadamente 1/8 de pulgada). Una tierra se considera no plástica si un hilo no se puede extender hasta 3,2 mm con cualquier humedad posible.

Límite de líquido

El límite líquido (LL) se define conceptualmente como el contenido de agua en el que el comportamiento de un suelo arcilloso cambia del estado plástico al estado líquido. Sin embargo, la transición del comportamiento plástico al líquido es gradual en un rango de contenidos de agua, y la resistencia al corte del suelo en realidad no es cero en el límite líquido. La definición precisa del límite líquido se basa en los procedimientos de prueba estándar que se describen a continuación.

El método de Casagrande

La prueba de límite líquido original de Atterberg implicaba mezclar una porción de arcilla en un recipiente de porcelana de fondo redondo de 10 a 12 cm de diámetro. Se cortó un surco en la superficie de arcilla con una espátula y luego se golpeó el cuenco muchas veces contra la palma de una mano. Posteriormente, Casagrande estandarizó el aparato (incorporando un mecanismo de leva giratorio para estandarizar la acción de caída) y los procedimientos para hacer la medición más repetible. Se coloca tierra en la parte de la copa de metal (copa Casagrande) del dispositivo y se hace una ranura en su centro con una herramienta estandarizada de 2 milímetros (0,079 pulgadas) de ancho. La copa se deja caer repetidamente 10 mm sobre una base de goma dura a un ritmo de 120 golpes por minuto, durante los cuales la ranura se cierra gradualmente como resultado del impacto. Se registra el número de golpes para que se cierre la ranura. El contenido de humedad al que se necesitan 25 gotas de la copa para hacer que la ranura se cierre en una distancia de 12,7 milímetros (0,50 pulgadas) se define como límite líquido. La prueba normalmente se realiza con varios contenidos de humedad y el contenido de humedad que requiere 25 golpes para cerrar la ranura se interpola a partir de los resultados de la prueba. La prueba de límite líquido está definida por el método de prueba estándar ASTM D 4318. El método de prueba también permite realizar la prueba con un contenido de humedad donde se requieren de 20 a 30 golpes para cerrar la ranura; luego se aplica un factor de corrección para obtener el límite líquido a partir del contenido de humedad.

Prueba de caída del cono

Otro método para medir el límite líquido es la prueba de caída del cono, también llamada prueba del penetrómetro de cono. Se basa en la medición de la penetración en el suelo de un cono estandarizado de acero inoxidable con un ángulo de vértice, una longitud y una masa específicos. Aunque la prueba de Casagrande se usa ampliamente en América del Norte, la prueba del cono de caída es mucho más frecuente en Europa y otros lugares debido a que depende menos del operador para determinar el límite líquido.

Ventajas sobre el Método Casagrande

• Es más fácil actuar en laboratorio.
• Los resultados del cono penetrometer no dependen de las habilidades ni del juicio del operador. Así que los resultados obtenidos son más fiables.
• Los resultados se pueden utilizar para estimar la resistencia de los suelos.

Límites derivados

Los valores de estos límites se utilizan de varias maneras. También existe una estrecha relación entre los límites y las propiedades de un suelo como la compresibilidad, la permeabilidad y la resistencia. Se cree que esto es muy útil porque como la determinación de límites es relativamente simple, es más difícil determinar estas otras propiedades. Por lo tanto, los límites de Atterberg no sólo se utilizan para identificar la clasificación del suelo, sino que también permiten el uso de correlaciones empíricas para algunas otras propiedades de ingeniería.

Índice de plasticidad

El índice de plasticidad (PI) es una medida de la plasticidad de un suelo. El índice de plasticidad es el tamaño del rango de contenidos de agua donde el suelo exhibe propiedades plásticas. El PI es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico (PI = LL-PL). Los suelos con un IP alto tienden a ser arcillosos, aquellos con un IP más bajo tienden a ser limosos y aquellos con un IP de 0 (no plástico) tienden a tener poco o nada de limo o arcilla.

Descripciones de suelo basadas en PI:

• (0) – No plástica
• (Seguido) – Ligeramente plástico
• (7-17) – plástico medio
• (√17) – Altamente plástico

Índice de liquidez

El índice de liquidez (LI) se utiliza para escalar el contenido de agua natural de una muestra de suelo a los límites. Se puede calcular como una relación de la diferencia entre el contenido de agua natural, el límite plástico y el límite líquido: LI=(W-PL)/(LL-PL) donde W es el contenido de agua natural.

Índice de coherencia

El índice de consistencia (Ic) indica la consistencia (firmeza) de un suelo. Se calcula como CI = (LL-W)/(LL-PL), donde W es el contenido de agua existente. El suelo en el límite líquido tendrá un índice de consistencia de 0, mientras que el suelo en el límite plástico tendrá un índice de consistencia de 1 y si W &gt. LL, Ic es negativa. Eso significa que el suelo está en estado líquido. Además, la suma del índice de Liquidez y el índice de Consistencia es igual a 1 (uno)

Índice de flujo

La curva obtenida del gráfico del contenido de agua frente al registro de golpes mientras se determina el límite líquido se encuentra casi en una línea recta y se conoce como curva de flujo.

La ecuación para la curva de flujo es: W = - I_f Log N + C

Donde 'I_f es la pendiente de la curva de flujo y se denomina "Índice de flujo"

Índice de dureza

La resistencia al corte de la arcilla en el límite plástico es una medida de su tenacidad. Es la relación entre el índice de plasticidad y el índice de fluidez. Nos da una idea de la resistencia al corte del suelo.

Actividad

La actividad de un suelo es la relación entre el índice de plasticidad y la fracción de tamaño de arcilla. Si la actividad es inferior a 0,75, el suelo está inactivo. Si la actividad excede 1,4 entonces el suelo se considera activo. Si la actividad se encuentra dentro de los valores anteriores, entonces el suelo es moderadamente activo.