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jueves, 18 de noviembre de 2010

Consistencia del Suelo - Límites de Atterberg - Historia

La 'Plasticidad' de las Arcillas

Los límites de Atterberg (límites de consistencia de suelos de grano fino) fueron desarrollados a comienzos del siglo XX por el pedólogo sueco Albert Mauritz Atterberg (1846-1916).

Atterberg trabajaba en la industria de la cerámica y había desarrollado pruebas sencillas para describir la plasticidad de una arcilla, importante propiedad para el modelado y evitar la contracción y agrietamiento cuando se hornea.

Observó que la plasticidad no era una propiedad permanente en las arcillas, sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua.

“ … Cuando mezclamos polvo de arcilla con mucho agua, obtenemos una pasta arcillosa fluida. Con menos agua la pasta fluye pero es más densa. Evaporando el agua, la arcilla pasa gradualmente a una masa pegajosa (se pega a los dedos, madera o metales). Luego desaparece la pegajosidad y la arcilla puede ser fácilmente moldeada sin pegarse a los dedos, este es el denominado estado plástico. Con un desecamiento aún mayor, la masa de suelo puede desmenuzarse, y los pedazos pueden ser unidos nuevamente bajo presión considerable (friable). Finalmente se pierde incluso ésta condición (masa dura y rígida). … ”

(Atterberg en Uber die physikalische Bodenuntersucgung, and ubre die Plastizität der Tone, Internationale Mgen für Bodenkunde, Vol.1, 1911).

Encontró que para expresar adecuadamente la plasticidad se requieren dos parámetros (los límites superior e inferior de plasticidad) en lugar de uno solo, como hasta su época se había creído; además señaló tales parámetros y un modo tentativo de evaluarlo, que se describe adelante.

Atterberg definió la plasticidad como la capacidad de un suelo de ser deformado, y observó que los suelos arcillosos en condiciones húmedas son plásticos y se vuelven muy duros en condiciones secas, que los limos no son necesariamente plásticos y se vuelven menos duros con el secado, y que las arenas son friables en condiciones sueltas y secas. También observó que existían arcillas altamente plásticas y otras de baja plasticidad.

La plasticidad en los suelos involucra las etapas de formar una masa de material y moldearla hasta adquirir la forma que se desee, manteniéndola después que la fuerza deformante ha cesado, e incluso cuando el agua ha sido removida. Esta característica varía con la naturaleza mineralógica de la arcilla, el tamaño, la forma y orientación de las partículas del suelo, ya que es un fenómeno relacionado con las películas de agua alrededor de éstas.


Las partículas gruesas no exhiben plasticidad, Atterberg fue el primero en reportar que las partículas laminares eran las más plásticas, o sea, que la plasticidad era función de la cantidad de superficie y número de contactos, por superficie disponible.

Estructura Laminar de la Arcilla vista en Microscopio

Atterberg observó que las arcillas mezcladas con gran cantidad de agua formaban un fluido apenas viscoso. Con menor cantidad de agua se volvía un fluido con una cierta rigidez que se tornaba pegajoso. Con la evaporación de mayor cantidad de agua la pegajosidad desaparecía y la arcilla podía ser deformada como se quisiera. Existía entonces un punto donde, con el incremento de la evaporación, la propiedad de ser deformada se perdía. De aquí estableció distintos estados de consistencia de los suelos plásticos que se muestran en la siguiente figura: 
 
Trayectoria Humedad-Volumen de un Suelo Remoldeado (amasado)

Los Límites de Atterberg

Atterberg definió los siguientes estados de consistencia según el contenido de agua en orden decreciente, para un suelo susceptible de ser plástico:

  1. Estado líquido, con las propiedades y apariencia de suspensión.
  2. Estado semilíquido, con las propiedades de un fluido viscoso.
  3. Estado plástico, en el que el suelo se comporta plásticamente, es decir, se puede moldear y deformar sin exhibir propiedades elásticas, cambios de volumen o agrietamiento.
  4. Estado semisólido, en el que el suelo tiene la apariencia de un sólido pero disminuye de volumen al ser secado.
  5. Estado sólido, en que el volumen del suelo no varía con el secado.

A partir de los diferentes estados, Atterberg definió varios límites de consistencia o comportamiento, que se constituyen en las primeras convenciones para su designación y desarrolló pruebas sencillas de laboratorio para determinarlos:

  1. Límite superior de flujo viscoso.
  2. Límite líquido - límite inferior de flujo viscoso.
  3. Límite de endurecimiento - la arcilla pierde su adherencia a una placa metálica.
  4. Límite de cohesión - los granos dejan de ser coherentes entre sí.
  5. Límite plástico - límite inferior del estado plástico.
  6. Límite de contracción - límite inferior de cambio de volumen.

Para diferenciar los estados de consistencia antes descritos, Atterberg estableció límites que establecían la diferenciación, los cuales son:

  • El mayor límite de un fluido viscoso, con el que una mezcla de arcilla y agua fluye casi como el agua.
  • El menor límite de un fluido viscoso, el “límite líquido”, donde dos secciones de suelo amasado, puestos en un recipiente cóncavo, apenas se tocan bajo el impacto de varios golpes secos.
  • El “límite de pegajosidad” en el cual la arcilla pierde las propiedades adhesivas y cesa la pegajosidad con otros objetos, como por ejemplo hojas metálicas, cuchillas de arado, orugas de tractores, etc.
  • El “límite de cohesión”, en el cual los granos de suelo cesan de unirse unos con otros.
  • El menor límite del estado plástico, o “límite plástico”, donde un suelo se desagrega cuando es enrrollado en bastoncitos.
  • El menor límite de cambio de volumen o “límite de contracción”, en que la pérdida de humedad no causa perdida de volumen.

Atterberg llamó a la frontera entre los estados semilíquido y plástico, Límite Líquido, que definió en términos de cierta técnica de laboratorio que consistía en colocar el suelo remoldeado en una cápsula formando en él una ranura, según se muestra en la figura a continuación, y en hacer cerrar la ranura golpeando secamente la cápsula contra una superficie dura; el suelo tenía el contenido de agua correspondiente al límite líquido, según Atterberg, cuando los bordes inferiores de la ranura se tocaban, sin mezclarse al cabo de un cierto número de golpes.

Determinación del Límite Líquido según Atterberg

Este procedimiento era suficiente para Atterberg, quien manejaba un laboratorio cuyo personal entrenaba él mismo, pero muchos otros detalles no se especificaban y la experiencia demuestra que son muy importantes para el resultado de la prueba.

La frontera convencional entre los estados plástico y semisólido fue llamada por Atterberg, Límite Plástico y definida también en términos de una manipulación de laboratorio.

Atterberg enrollaba un fragmento de suelo hasta convertirlo en un cilindro de espesor no especificado; el agrietamiento y desmoronamiento del rollo, en un cierto momento, indicaba que se había alcanzado el límite plástico y el contenido de agua en tal momento era la frontera deseada.

Esta prueba posee el mismo inconveniente indicado para la de límite líquido, en lo que se refiere a su realización en otros laboratorios diferentes al de Atterberg. A las fronteras anteriores, que definen el intervalo plástico del suelo se les ha llamado límites de plasticidad.

Atterberg consideraba que la plasticidad del suelo quedaba determinada por el límite líquido y por la cantidad máxima de una cierta arena, que podía ser agregada al suelo, estando éste con el contenido de agua correspondiente al límite líquido, sin que perdiera por eso su plasticidad.

Años después, con el propósito de estandarizar la prueba, Terzaghi (1926) estableció el diámetro de la tira en 3.2 mm o 1/8 pulgada.

Además encontró que la diferencia de los valores entre los límites de plasticidad, llamada índice plástico, se relacionaba fácilmente con la cantidad de arena añadida, siendo de más fácil determinación, por lo que sugirió su uso, en lugar de la arena, como segundo parámetro para definir la plasticidad.

Según Atterberg, el Indice de Plasticidad, corresponde a un rango de contenido de humedad en el cual el suelo es plástico y fue el primero en sugerir que éste podía ser útil en la clasificación de suelos.
Atterberg consideró que la cantidad de arena que podía ser agregada en el límite líquido sin causar en el suelo la perdida completa de la plasticidad, era una medida de la plasticidad de un suelo. Encontró que la diferencia entre el límite líquido (ωl) y el límite plástico (ωp), denominado índice de plasticidad (IP), representaba una medida satisfactoria del grado de plasticidad de un suelo relacionándolo con la arena incorporada. Luego sugirió que estos dos límites (ωl y ωp) servían de base en la clasificación de los suelos plásticos.

Acorde al valor del índice de plasticidad, distinguió los siguientes materiales:

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

En la siguiente figura se presenta la carta de plasticidad derivada de los experimentos de Atterberg en 1911:

Carta de Plasticidad de Atterberg (1911)

El Límite de Adhesión, fue definido por Atterberg como el contenido de agua con el que la arcilla pierde sus propiedades de adherencia con una hoja metálica, por ejemplo, una espátula. Esta prueba es muy importante en la agricultura, por cuanto permite determinar el grado de trabajabilidad de la maquinaria sobre el terreno.

El Límite de Cohesión, fue definido como el contenido de agua con el que los grumos de arcilla ya no se adhieren entre sí.

El Límite de Contracción, corresponde a la frontera entre los estados de consistencia, semisólido a sólido, y fue definido por Atterberg como el contenido de agua con el que el suelo ya no disminuye su volumen al seguirse secando. Este se manifiesta por un cambio característico de tono oscuro a más claro que el suelo presenta en su proximidad, al irse secando gradualmente. Atterberg lo determinaba efectuando mediciones durante el proceso de contracción.

Los Límites de Atterberg son Adoptados por la Geotecnia

A comienzos del siglo XX en Estados Unidos y Suecia, se intentó por primera vez en forma sistemática y organizada, realizar estudios que corrigieran vicios de práctica en el tratamiento de los suelos.

En enero de 1919, la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles designó un "Comité Especial para hacer un Código sobre la Práctica Actual en Relación a la Capacidad de Carga de los Suelos". La Comisión Geométrica de Ferrocarriles del Estado Sueco se instituyó en diciembre de 1913 a causa de los repetidos deslizamientos a lo largo de las líneas del ferrocarril y se pueden considerar como uno de los hitos de la Mecánica de Suelos moderna.

El término "geotecnia" (geoteknik en sueco) fue acuñado por dicha Comisión sueca, que trabajó bajo la dirección de Wolmar Fellenius, profesor en el Instituto Real de Tecnología de Estocolmo, y presentó su informe en 1922, después de investigar más de 300 fallas de terraplén y deslizamientos de tierra, enfocando el estudio en el factor de seguridad de taludes en el sur de Suecia.

En el documento se discutió el uso de diferentes métodos de investigación en campo y laboratorio y también de allí nació el "método sueco de falla circular" para el análisis de estabilidad de taludes.

Además de la sueca Comisión Geotécnica, una comisión especial de puerto se creó en Gotemburgo en 1916 debido al fracaso de varios muelles.

Atterberg desarrolló en 1914, un sistema de clasificación agrícola de suelos, que se presenta en la siguiente tabla, basado en la plasticidad obtenida a partir de sus pruebas de límites líquido y plástico y con ello realizó un gran aporte al estudio de los suelos al hacer ver que el grado de saturación influye sobre el estado del suelo y por ende de su comportamiento geotécnico.

Clasificación de Suelos de Atterberg (1914)

En 1927 Karl Terzaghi sugirió a Arthur Casagrande que diseñara y construyera un dispositivo mecánico que pudiera eliminar en la medida de lo posible los errores del operador en la determinación del límite líquido, allí nació la idea del 'Aparato de Casagrande'.

Hogentoglerand y Terzaghi desarrollaron en 1929 el sistema de clasificación de materiales para la construcción de carreteras conocido como el Public Roads Classification System, que adoptó los límites de Atterberg dentro de su protocolo. Luego de varias revisiones, en 1945 este sistema fue conocido como el sistema AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials).

Mientras trabajaba para el U.S. Bureau of Public Roads, Arthur Casagrande en 1932 estandarizó la versión de los límites de Atterberg del U.S. Bureau of Public Roads para que pudiesen ser utilizados fácilmente para propósitos de clasificación de suelos, puesto que estos se revelaron ambiguos debido a la falta de claridad en los pasos que se debían seguir en el laboratorio. Para ello, Casagrande recomendó practicar un método de prueba para la determinación del límite líquido estandarizado, utilizando su dispositivo ya diseñado y en funcionamiento, con el fin que operarios de laboratorios de diferentes países obtuviesen valores similares (este dispositivo se presenta en la siguiente imagen). Como resultado, nació la técnica basada en el aparato de Casagrande, recipiente de bronce o latón, con un tacón solidario, del mismo material.

Cuchara de Atterberg (1942). Museo Virtual de la Ciencia

Para entender el significado del ensayo mediante el dispositivo desarrollado por Casagrande, se puede decir que para golpes secos, la resistencia al corte dinámica de los taludes de la ranura se agota, generándose una estructura de flujo que produce el deslizamiento (ver la siguiente figura).

Deslizamiento del Suelo en la Prueba de Límite Líquido

La fuerza resistente a la deformación puede considerarse como la resistencia al corte de un suelo. La resistencia al corte de todos los suelos en el límite líquido es constante y tiene un valor aproximado de 2,2 kPa.

Luego de exhaustiva investigación para distinguir entre limos y arcillas de alta y baja plasticidad, y a partir de ésta, Casagrande desarrolló la carta de plasticidad (figura a continuación), que se convirtió en un componente importante en el Sistema de Clasificación de Aeropuertos (Airfield Classification System) en 1942 y posteriormente en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS.


Carta de Plasticidad de Casagrande (1942)

Carta de Plasticidad de Casagrande utilizada en el Sistema de Aeropuertos

En la carta de plasticidad utilizada en el Sistema de Aeropuestos en 1948 (en Mecánica de Suelos Tomo I. E. Juárez Badillo y A. Rico Rodríguez), Casagrande definió los siguientes tipos de suelo, que en la actualidad ya no son utilizados:

SC: Arena con excelente cementante arcilloso o de otra categoría, en tal proporción que el material prácticamente carece de contracción y expansión.

SF: Arenas con finos que no califican como SC.
En 1948 se definió en Noruega el Límite de Firmeza, importante para arcillas extrasensitivas; en éste se ha visto un cuantificador para el potencial de licuación de tales arcillas bajo la acción de causas no bien definidas. A este límite corresponden por lo general, contenidos de agua bastante mayores que el límite líquido.

En el laboratorio se determina por el mínimo contenido de agua que hace que una pasta de arcilla bien mezclada, fluya por peso propio en un tubo estándar de 11 mm de diámetro, tras 1 minuto de reposo.

En la práctica actual de la ingeniería geotécnica y en la mecánica de suelos, usualmente se utiliza el límite líquido (LL o wL), el límite plástico (LP o wP) y eventualmente el límite de contracción (SL o wS). Los límites de endurecimiento y cohesión son más útiles en la industria cerámica y agricultura.

En conclusión, los límites de Atterberg son aquellos contenidos de agua en los cuales el comportamiento del suelo se modifica. A medida que el contenido de agua aumenta, el estado del suelo cambia de sólido rígido a sólido plástico y luego a un líquido viscoso.

En la siguiente figura se presentan los diferentes estados y la respuesta generalizada del material (curvas esfuerzo - deformación).
 
Continuo de Humedad de Varios Estados del Suelo y Respuesta General Esfuerzo-Deformación
  
Con el fin de comprender aún más el comportamiento del suelo bajo los Límites de Atterberg, pueden retomarse las curvas de la mecánica de los fluidos (ver figura a continuación), donde el gradiente de velocidad de corte se grafica contra el esfuerzo de corte.

Dependiendo del contenido de humedad, es posible para los suelos tener una respuesta representada por todas esas curvas (excepto posiblemente el líquido Newtoniano ideal). Se observa también cuan diferente es esta respuesta del comportamiento Esfuerzo - Deformación, de otros materiales de ingeniería como el acero, concreto o madera.

Comportamiento de Varios Materiales incluyendo los Suelos sobre un Rango de Contenidos de Agua

Las Constantes de Atterberg y su Significado Práctico

Atterberg estudió la plasticidad del suelo a través del rango de humedad en el cual ésta se manifiesta, es decir, el rango de humedad que va desde que el suelo comienza a ponerse plástico hasta que se hace viscoso y propuso tres valores o Constantes de Atterberg:
  1. Límite superior de plasticidad (límite líquido): Contenido de humedad al cual el suelo fluirá muy poco al aplicarle una fuerza, o contenido de humedad en el que el suelo pasa de plástico a viscoso.
  2. Límite inferior de plasticidad (límite plástico): Contenido de humedad al cual el suelo puede ser escasamente arrollado en forma de fideo (aprox. >3 mm de espesor), o contenido de humedad en el que el suelo pasa de friable a plástico.
  3. Número de plasticidad: Diferencia entre el límite superior y el límite inferior. El número de plasticidad se asemeja al índice de plasticidad.
El trabajo original de Atteberg fue aparentemente conducido con la confianza de obtener algún criterio físico para la clasificación de suelos. Terzaghi sugirió que los límites de plasticidad pueden servir como un índice para la clasificación física de los suelos. Suelos con un alto límite superior de plasticidad deben contener o una gran cantidad de fracciones excesivamente finas o son ricos en partículas laminares.

Suelos que tienen un alto límite superior y un bajo número de plasticidad deberán estar en un fino estado de división. Si el número de plasticidad es alto, seguramente existe una abundancia de partículas laminares.

Russell encontró que las constantes de Atteberg son índices muy satisfactorios de la consistencia del suelo y del grado de acumulación de arcilla en el perfil.

Wher ha interpretado que el índice inferior de plasticidad es la humedad sobre la cual el suelo está en peligro de ser enlodado al cultivar (los suelos se enlodan cuando están húmedos o mojados y son sometidos a un esfuerzo, entonces las partículas se orientan con una disminución en el volumen específico).

Si el número de plasticidad es pequeño, indica la facilidad de labranza sin enlodamiento. Si este número es amplio, hay peligro considerable de enlodamiento del suelo, si es trabajado a una humedad por encima del límite inferior.

Esta correlación se debe al hecho de que suelos con números de plasticidad pequeños, son suelos con alto porcentaje de fracciones gruesas, donde el porcentaje de macroporos va a depender de la granulometría fundamentalmente.

Por lo tanto, el peligro de enlodamiento o sea el deslizamiento de unas partículas sobre otras (las más finas) orientándose con una consiguiente disminución del volumen específico aparente, no va a darse, o se dará en un menor grado. En cambio, números de plasticidad grandes nos indican suelos con alto porcentaje de arcilla, en los cuales el enlodamiento sí se da.

A nivel geotécnico, puede establecerse una analogía entre la facilidad o dificultad en el laboreo del suelo agrícola respecto del enlodamiento, con el manejo que debe recomendarse a un depósito de suelo que vaya a ser intervenido, por ejemplo con movimientos de tierras, cimentaciones superficiales o estructuras de contención, para la construcción de obras civiles.
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