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jueves, 25 de noviembre de 2010

Consistencia del Suelo - Límites de Atterberg - Límite de Contracción

En el estado semisólido, el proceso el decrecimiento de volumen del suelo es precisamente igual al valor de agua perdida por evaporación. Sin embargo cuando el contenido de humedad llega a un cierto valor mínimo, la muestra deja de disminuir su volumen con la pérdida de humedad pero el peso de la muestra continúa decreciendo.

Puede decirse que en ese punto la muestra pasa de un estado semisólido a uno sólido. El límite entre los dos estados es marcado por el cambio de color de oscuro a claro y el contenido de humedad correspondiente a dicho límite Atterberg lo denominó “límite de contracción”.

En el estado semisólido, los vacíos están completamente llenos de agua. La superficie libre de agua se localiza dentro de la superficie de la muestra y la tensión superficial ejerce en la superficie exterior de la muestra una presión distribuida uniforme, comparable a la presión externa actuando como una presión hidrostática en cada punto perpendicular a la superficie externa de la muestra. Por esta razón el aire no puede entrar en la arcilla ya que la presión ejercida por la tensión superficial es más pequeña que la presión requerida para comprimir o contraer la arcilla.

En el límite líquido la presión ejercida por la tensión superficial del agua o “presión capilar” es prácticamente igual a cero. En el límite plástico ya suma varias atmósferas y durante el proceso de contracción en el estado semisólido su valor es todavía más grande. Finalmente, llega el punto donde la fuerza requerida para producir el cambio de volumen es tan grande como el máximo valor que la “presión capilar” puede posiblemente suponer. Si se sigue evaporando agua, la superficie de agua capilar se retira al interior de la muestra y el aire puede ingresar al suelo, en consecuencia, el color del suelo cambia de oscuro a claro. El contenido de agua, cuando se produce el cambio de color, es el límite de contracción. El límite de contracción depende obviamente de dos factores: la compresibilidad del suelo y el máximo valor de presión capilar.

El Límite de Contracción es el contenido de humedad al que un suelo pasa de consistencia dura (seco) a friable (húmedo) (ver figura 1).

Figura 1. Estados de Consistencia y Contracción de un Suelo con Alto Contenido de Arcilla.

Límite de Contracción (ASTM D-427)

Una muestra de suelo secada lentamente (sometida a desecación), formará un menisco capilar entre los granos individuales del suelo. Como resultado, los esfuerzos entre los granos (esfuerzos efectivos o intergranulares), aumentarán y el suelo disminuirá de volumen. A medida que la contracción continúa, el menisco se hace más pequeño y los esfuerzos capilares se incrementan, lo cual reduce aún más el volumen. Se llega hasta un punto donde no hay mayor reducción de volumen, pero el grado de saturación es esencialmente 100 %. El contenido de agua al cual esto ocurre se define como límite de contracción (LC, SL o wS).

En este punto, el menisco capilar comienza a retraerse bajo la superficie del suelo y el color de la superficie cambia de uno resplandeciente a una apariencia uniforme (el mismo efecto se observa cuando un suelo dilatante se retrae bajo la superficie, que adquiere apariencia uniforme (parda) debido a la reflectividad en los cambios en superficie).

También puede decirse que el límite de contracción es el menor contenido de humedad al que una muestra de suelo no reducirá volumen con posterior secado.

Determinación del Límite de Contracción

Atterberg (1911), originalmente trabajó con pequeñas barras de arcilla que dejó secar lentamente. Observó el punto en el cual el color cambiaba y al mismo tiempo anotó que la longitud era esencialmente mínima en ese punto.

Terzaghi propuso que uno podría medir el volumen seco y la masa seca y a la vez calcular el contenido de agua en el punto de mínimo volumen. En la figura 2 se ilustra este procedimiento. Una pequeña cantidad de suelo de masa total Mi se coloca en un pequeño recipiente de volumen conocido Vi y se permite un secado lento. Luego de tener la masa seca al horno Ms, el volumen se suelo seco Vd se mide pesando la cantidad de mercurio que la muestra de suelo desplaza. El límite de contracción se calcula a partir de alguna de las siguientes expresiones:



Ambas ecuaciones corresponden a las dos partes de la figura 2 y puede ser fácilmente derivada de la figura y los diagramas de fase del suelo.


Figura 2. Determinación del Límite de Contracción basado en:
(a) Masa total. (b) Contenido de humedad.

Aunque el límite de contracción fue una popular prueba de clasificación durante los años 20, está sujeta a considerable incertidumbre y por ello no se practica más. El ensayo tiene algunas características indeseables: involucra errores como resultado de burbujas de aire en la muestra de suelo seco, agrietamiento durante el secado, pesado y otras medidas de error y el peligro de envenenamiento al operador con mercurio. Casagrande sugirió secar muestras grandes y medir físicamente sus dimensiones para evitar el problema del envenenamiento por mercurio.

Uno de los mayores problemas con el límite de contracción, es que la cantidad de contracción depende no solo del tamaño del grano, sino de la fábrica inicial del suelo. El estándar, por ejemplo la designación ASTM D427; del procedimiento, es comenzar con un límite de humedad cercano al límite líquido. Sin embargo, especialmente con arcillas limosas y arenosas, frecuentemente se produce un límite de contracción mayor que el límite plástico, lo cual carece de sentido. Casagrande sugiere que el contenido inicial de agua sea ligeramente mayor que el límite plástico, si es posible, pero debe admitirse que es imposible evitar atrapar burbujas de aire.

Si el suelo está en estado natural inalterado, entonces el límite de contracción es frecuentemente mayor que el límite plástico debido a la estructura del suelo. Esto es especialmente cierto para arcillas altamente sensibles según Karlsson (1977). En la tabla a continuación se presenta la sensibilidad de la arcilla respecto del límite de contracción.


Si se utiliza el aparato de Casagrande y se inicia la prueba ligeramente por encima del límite plástico, entonces se obtienen los siguientes resultados cuando los límites de Atterberg se grafican cerca a la línea A en la carta de plasticidad, el límite de contracción se acerca a 20. Si los límites se grafican sobre la línea A, entonces el límite de contracción es menor de 20 por una cantidad aproximadamente igual a cuan distantes están los límites sobre la línea A. De forma similar, para ML y MH (LO y OH), el límite de contracción es mayor de 20 una cantidad aproximadamente igual a cuan distante bajo la línea A se grafican los límites. De allí que si la distancia vertical por encima o por debajo de la línea A es DPi, entonces:

LC = 20 ± DPi

Este procedimiento y ecuación, se han encontrado como los más aproximados a la prueba del límite de contracción.

Casagrande sugirió un método aún más simple. Si la línea U y la línea A de la carta de plasticidad se extienden, convergen a un punto con coordenadas (-43.5, -46.4), como se muestra en la figura 9. Se extiende una línea desde ese punto a las coordenadas del límite líquido e índice de plasticidad en la carta de plasticidad y el límite de contracción es donde ésta línea cruza el eje del límite líquido. Aunque no es un procedimiento exacto, es lo suficientemente aproximado para trabajo geotécnico. No obstante, la prueba del límite de contracción efectuada según la norma ASTM, tampoco es particularmente exacta. Si puede obtenerse un estimado razonable del límite de contracción de la carta de plasticidad (ver figura 3), entonces el ensayo del límite de contracción no requiere ser ejecutado puesto que no produce información adicional.

Figura 3. Procedimiento de Casagrande para Estimar el Límite de Contracción.

Debe observarse que las presiones capilares deben ser muy grandes para suelos arcillosos de grano muy fino con minerales de arcilla altamente activos (cercanos a la línea U). Estos suelos tendrán límites de contracción cercanos a 8, según el procedimiento de Casagrande. En efecto, él observó límites tan bajos como 6 para arcillas montmorilloníticas. Suelos en el límite de contracción tendrán una muy baja relación de vacíos debido a que las presiones capilares son muy grandes, mucho mayores a las que pueden alcanzarse por compactación, por ejemplo.

Teniendo en cuenta el método simplificado de Casagrande, de coordenadas sobre la carta de plasticidad y utilizando la geometría analítica puede calcularse la ecuación para hallar el límite de contracción:


Terzaghi sugirió un método de determinación más simple de determinación que el utilizado por Atterberg (mediciones frecuentes de longitud y peso de un mismo prisma hasta no presentar disminución de la longitud), que consta de el peso y volumen de una muestra de suelo totalmente seca ; en ese momento el límite de contracción sería la humedad de la muestra seca si tuviese sus vacíos llenos de agua, luego de la figura 4 puede deducirse :


Figura 4. Esquema que Ilustra la Obtención del Límite de Contracción Según Terzaghi.
De la figura,

wm = ws dado que la muestra está totalmente seca.
Ss = peso específico relativo de la fase sólida del suelo (de sólidos)


g0 = peso específico del agua destilada a 4 °C de temperatura y a la presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. En el sistema métrico es igual a 1.0 ton/m³.

Para obtener el límite de contracción de la fórmula anterior debe determinarse el volumen de la muestra seca del suelo y el peso específico relativo de los sólidos de la muestra.

La Public Road Administration (USA), ha desarrollado otro método para la determinación del límite de contracción de los suelos en donde no se requiere contar con el peso específico relativo de los sólidos. En este, el suelo se remoldea hasta una consistencia cercana al límite líquido, añadiendo agua si es preciso y se llena una cápsula de volumen conocido. La superficie se alisa con espátula y se protege con vidrio ; se seca al horno y se pesa hasta tener peso constante, que se anota. Se determina el volumen de la muestra seca y así se tienen las cantidades :

V1 = volumen de la muestra húmeda, igual al de la cápsula.
W1 = peso de la muestra húmeda
V2 = volumen de la muestra seca
Ws = peso de la muestra seca

En la figura 5 se muestran las cantidades anteriores, siendo iguales las escalas 1 gr = 1 cm³. Así, la relación de disminución de peso por pérdida de agua en el secado es una recta con 45° de inclinación para humedades superiores al límite de contracción.

Figura 5. Gráfico que ilustra la obtención del límite de contracción según el método PRA.
El punto (2) representa el límite de contracción secándolo desde la condición inicial (1). Al llegar al secado total (3) ya no varía el volumen. En (2) no hay cambio brusco sino transición gradual y en suelos muy plásticos en el tramo (2) - (3) se da contracción adicional mientras que en suelos de muy baja plasticidad hay expansión.

De la figura 5 puede obtenerse el límite de contracción aplicando la definición de contenido de agua:


Contracción y Expansión

Las grietas de contracción pueden presentarse localmente cuando las presiones capilares exceden la cohesión o resistencia a la tensión del suelo. Estas grietas, parte de la microestructura de la arcilla, son zonas de debilidad que pueden reducir significativamente la resistencia general y afectan la estabilidad de taludes de arcilla y la capacidad de carga de fundaciones. La corteza desecada y agrietada usualmente se encuentra sobre depósitos de arcilla blanda y afecta la estabilidad de, por ejemplo, terraplenes de autopistas construidas sobre estos depósitos.

La contracción y grietas de contracción son causadas por evaporación de la superficie en climas secos, disminuyendo el nivel de la tabla de agua y eventualmente la desecación del suelo causada por los árboles durante temporadas de sequía en climas húmedos.

En la siguiente tabla se presenta la experiencia de U.S. Bureau of Reclamation sobre investigaciones de suelos expansivos y arcillas expansivas, toda vez que al cambiar el clima de seco a húmedo y los suelos tienen nuevamente acceso al agua tienden a incrementar su volumen o expandirse.

El proceso de contracción y expansión no es reversible, el suelo tiene memoria de su historia de esfuerzos y mostrará los efectos de contracción previo y ciclos de secado. Así, arcillas blandas se convierten en sobreconsolidadas y menos compresibles debido al efecto del incremento en los esfuerzos efectivos causados por acción capilar.


En la figura 6 se presenta la correlación entre la expansión y el colapso con el límite líquido y la densidad seca in situ de los suelos, basada en la experiencia del U.S. Bureau of Reclamation.

Figura 6. Guía para la Colapsibilidad, Compresibilidad y Expansión basada en las Densidades In Situ y el Límite Líquido (adaptado de Mitchell y Gardner, 1975 y Gibbs, 1969).

El suelo seco se expande al mojarse e inversamente, el suelo húmedo se contrae al secarse. Se sabe que el agua puede sacarse del suelo húmedo por compresión ; el suelo seco ejerce una gran presión cuando se está humedeciendo. Se puede medir la cantidad de presión que un suelo seco o coloide ejerce cuando se está humedeciendo.

El hinchamiento de los suelos se define como el fenómeno que ocurre cuando aumenta el volumen de un sólido y disminuye su cohesión, mientras éste absorbe un líquido sin perder su homogeneidad aparente.

Factores que afectan el hinchamiento :

1. Tipo de arcilla, arena superficial, arreglo estructural, densidad de la carga superficial, fuente de la carga.
2. Cationes y aniones asociados con la arcilla.
3. Materia orgánica.
4. Sesquióxidos.
5. Agua entre las capas de arcilla.

Influencia de la Histéresis del Agua del Suelo

El potencial de agua no es función única del contenido de agua del suelo, sino que depende de la historia previa de la humedad de la muestra. A este fenómeno se le llama histéresis del agua del suelo.

En la figura 7 se representa el efecto de la histéresis de un suelo que inicialmente estuvo saturado, luego se secó lentamente hasta un valor de - 1500 julios/kg, después se le mojó con incrementos similares de agua hasta hacerlo llegar cerca del punto de saturación, donde las curvas se cerraron. Si el proceso de secamiento hubiera cesado mas pronto, la curva de mojadura hubiera tenido una trayectoria distinta, tal como lo muestra la curva ‘scanning’ B-A. De igual manera, si el secamiento hubiera comenzado antes que se alcanzara la saturación completa, la curva de secamiento habría seguido la trayectoria de la curva ‘scanning’ A-C. Si el suelo se hubiera secado mas de lo que indica la figura, la curva de mojadura sería una curva ‘scanning’. La curva de secamiento limitante se encuentra con secamiento que comienza con saturación completa y la curva de mojadura limitante comienza con el suelo a la mayor sequedad posible, pues en la mayoría de las aplicaciones de campo el secamiento es al aire (los suelos pueden secarse con P2O5 en el vacío, para conseguir secamiento completo).

Las curvas anteriores dependen de la temperatura, estructura y composición. Cuando estas variables se mantienen constantes, los puntos que se determinan experimentalmente deben caer entre las curvas limitantes.


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3 comentarios:

  1. que significa un valor de limite de contracción negativo? puede existir?

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  2. SI ESO ME SUCEDIO QUE SE DEBE HACER O A QUE SE DEBE?

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  3. LITERATURA MUY VALIOSA PARA INTUIR EL GRADO DE DIFICULTAD DE UN SUELO EXPANSIVO

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