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viernes, 19 de noviembre de 2010

Consistencia del Suelo - Límites de Atterberg - Límite Líquido



El límite líquido es el contenido de agua, expresado en porcentaje respecto al peso del suelo seco, que delimita la transición entre el estado líquido y plástico de un suelo remoldeado o amasado. En las imágenes a continuación podemos observar un esquema hipotético del estado de un suelo antes y después del ensayo de Límites de Atterberg:

Estructura del Suelo Inalterado

Estructura del Suelo Remoldeado o Amasado

Se define como el contenido de agua necesario para que la ranura de un suelo ubicado en el equipo de Casagrande, se cierre después de haberlo dejado caer 25 veces desde una altura de 10 mm.

También puede definirse como el menor contenido de humedad de un suelo que puede fluir por vibración.

El límite líquido como fue definido por Atterberg ha estado sujeto a distintas variaciones en su determinación. Fue Terzaghi, quien le sugirió a Casagrande en 1927, que diseñara un dispositivo mecánico que pudiera eliminar en lo posible los errores del operador en la determinación del mismo (figura 1).

Figura 1. Dispositivo Básico de Casagrande

Casagrande desarrolló un dispositivo normalizado como se muestra en la Figura 2 y descrito por la norma ASTM D 423 excepto por el acanalador utilizado. El límite líquido se estableció como el contenido de agua de un suelo cuando para 25 golpes ejercidos por la caída de la taza (a razón de 2 golpes por segundo) desde la altura de 1 cm., dos secciones determinadas de suelo separadas por una ranura normalizada de 2 mm de espesor en su parte inferior y 11 mm en su parte superior y una altura de 8 mm, cerraran en una distancia de ½ pulgada a lo largo de la parte inferior de la ranura.


La altura de caída, como las dimensiones del cascador y las dimensiones de la ranura, como el material de la base, etc.; son factores de influencia en los resultados obtenidos.

Para entender el significado del ensayo mediante el dispositivo detallado en la Figura 2, podemos 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 Figura 3).

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 22 g/cm².


La Curva de Flujo

Casagrande observó que el número de golpes necesarios para cerrar la ranura dependía del contenido de agua del suelo y que cuando una serie de resultados de un suelo se representa en un grafico donde el eje de la humedad es aritmético y el eje del número de golpes es logarítmico, esos resultados forman una línea recta. Esa curva fue llamada curva de flujo.

Las ventajas de graficarla de este modo son: la curva puede ser dibujada con pocos puntos, se pueden detectar mas fácilmente los errores en una línea recta (escala semilogarítmica) que en una línea curva (escala aritmética) y el índice de flujo puede ser definido por la pendiente de la recta (ver Fig.4).


Esta curva puede ser representada por la siguiente ecuación:

ω = - F Log N + C (1)

donde:

ω : contenido de humedad en porcentaje de suelo seco.
F : constante, llamada “índice de flujo”.
N : numero de golpes.
C : constante.

El numero de golpes “N” puede ser considerado como representada por la fuerza igual a N veces la fuerza ejercida en la aplicación de un solo golpe. La resistencia al corte de un suelo es obviamente proporcional a la fuerza requerida para producir una deformación dada (en nuestro caso el cierre de la ranura). Entonces, el número de golpes “N” de la ecuación (1), puede ser tomado como proporcional a “s”, la resistencia al corte de un suelo, y puede ser escrita como:

ω = - F Log s + C1 (2)

donde “C1” es diferente a “C” debido a que “s” está expresado en unidades físicas.

Efecto de la Maceración

El concepto “tempering” corresponde a la maceración de la pasta de suelo preparada con una humedad cercana a la del límite líquido, estacionándola herméticamente un período determinado de tiempo.

De acuerdo a investigaciones realizadas por Raymond F. Dawson, se observó que el efecto del tiempo de maceración de la muestra modificaba los valores obtenidos de límite líquido con respecto a los valores obtenidos si no se dejara macerar la muestra.

Los resultados de una serie de ensayos sobre dos suelos diferentes realizados con distintos períodos de maceración, se graficaron como se muestra en la Fig.5. Para el Suelo Nº 2, el límite líquido se redujo desde aproximadamente 70% a alrededor de 63%, donde la mayoría del efecto de reducción se produjo durante la primera hora de maceración. Para el suelo Nº 1, el límite líquido se redujo desde 50% a 45%, donde la mayoría del efecto se produjo en las primeras 8 horas de maceración.

El mayor efecto producido por la maceración de la pasta de suelo no se produce en un período determinado de tiempo para diferentes tipos de suelo, variable hasta hoy desconocida. Lo que si se puede afirmar, es que a partir de las 12 horas de maceración de la pasta de suelo, los resultados obtenidos por un mismo operador sobre distintos suelos, no varían con el tiempo de maceración. Con estos resultados publicados, resulta importante incorporar el efecto de maceración a la metodología de ejecución del límite líquido.


Efecto del Secado

Otro de los factores influyentes en los resultados de los ensayos de los límites líquidos, es el secado previo a que sea sometida la muestra.

Al comparar los resultados obtenidos sobre distintos tipos de suelos en estado natural, secados al aire y secados al horno, se observó que todos los suelos no reaccionaban de la misma manera frente al secado.

Luego se determinó que el mayor efecto producido por el secado se daba en los suelos con contenidos considerables de materia orgánica, donde la diferencia entre un suelo secado al horno podía dar un valor de límite líquido inferior al 30% del valor obtenido sobre un suelo en estado natural.

Ensayos de Penetración

Partiendo del ensayo original desarrollado por Atterberg en 1911, donde la técnica del operador influía grandemente en los resultados obtenidos; y la mecanización del ensayo por Casagrande en 1932 donde minimizó los errores del operador, las normas de todo el mundo han adoptado como metodología para la obtención del límite líquido, el Cascador de Casagrande.

Sin embargo, a pesar de la normativa, se genera un importante número de errores como ser en la ejecución del ensayo: la dificultad de realizar la ranura en ciertos suelos arenosos, la tendencia de los suelos de baja plasticidad de deslizar por la cuchara en lugar de fluir, sensibilidad de pequeñas diferencias en el aparato (forma del acanalador, dureza de la base, la forma de la leva, la rugosidad de la cuchara, etc.), la sensibilidad de la técnica del operador en realizar el ensayo, etc. La combinación de todos estos factores deriva en pensar lo conflictivo del uso de este método ya que ensayos realizados sobre un mismo suelo dan distintos resultados. Existe un método alternativo donde minimiza estos errores.

Esencialmente el ensayo de límite líquido es una medida de la resistencia de corte de un suelo blando cuya humedad se acerca al estado líquido. La teoría de plasticidad desarrollada por Prandtl estableció una relación entre la resistencia de corte y la resistencia a penetración de un suelo. Esta relación es una constante en materiales como las arcillas saturadas. Entonces podemos decir que el ensayo de penetración debería ser una medida válida de límite líquido. Para ello existen distintos tipos de conos para determinar el límite líquido como se muestran en las Fig.6 a Fig.8.

El límite líquido de un suelo se puede determinar mediante el penetrómetro de cono o el aparato de Casagrande (BS 1377:1990: parte 2, las cláusulas 4.3, 4.5).

Uno de los principales cambios introducidos por la Norma Británica 1975 (BS 1377) fue que el método preferido de las pruebas de límite líquido se convirtió en el penetrómetro de cono.

Esta preferencia se ve reforzada en la Norma revisada de 1990, British que se refiere al penetrómetro de cono como el "método definitivo. El penetrómetro de cono se considera un método más satisfactorio que la alternativa porque es esencialmente una prueba estática que se basa en la resistencia al corte del suelo, mientras que el método alternativo de Casagrande taza introduce efectos dinámicos.

En la prueba de penetrómetro, el límite líquido del suelo es el contenido de humedad a la que un cono de 60 gramos de peso con un ángulo de punta de 60°, se sumerge exactamente 10 a 20 mm (según el estándar utilizado) en una taza de suelos remoldeados en un período de 5 segundos. A este contenido de humedad el suelo es muy blando.

Cono de Caída

El Cono Ruso

Inicialmente se uso la aguja de Vicat y conos estrechos. Aparentemente esos ensayos no proveían resultados satisfactorios. El primer ensayo estandarizado fue el mencionado por Vasilev en 1949, donde el aparato empleado es el mostrado en la Fig.6, y en el que una penetración de 10 mm indica el límite líquido.


El Cono Hindú

El desarrollo de un ensayo simplificado de límite líquido por el Indian Central Road Research Institute comenzó en 1953 y concluyó con el dispositivo mostrado en la Fig.7, donde una penetración de una pulgada indica el límite líquido.


El Cono de Georgia Institute of Technology

Experimentos para un ensayo simplificado de límite líquido condujo en 1951 al Georgia Institute of Technology a encontrar un método de penetración. El penetrómetro utilizado es el mostrado en la Fig.8, donde una penetración de 10 mm indica el límite líquido.

La figura 9 presenta el cono de caída de 80 gr. utilizado en Inglaterra:

Figura 9. Cono de Caída

Determinación del Límite Líquido (ASTM D-4318 o D-423-66, BS 1377: 1975, Ensayo 2)

Casagrande definió el límite líquido como el contenido de agua al cual un corte estándar de separación, practicado en la muestra de suelo remoldeado, de una cuchara ranuradora (ver figura 9(a)), se cerrará una distancia de 12.7 mm (1/2 pl.) a 25 golpes de la caída del vaso de límite líquido o copa de Casagrande (ver figura 9(b)), 10.0 mm sobre una base de caucho rígido o Micarta 221. Ver figuras 2 y 10. La copa esférica, con radio interno de 54 mm, espesor de 2 mm y peso de 200 ± 20 gr, incluyendo el tacón.

En suelos con arena o materia orgánica no puede usarse el ranurador y entonces se utiliza la espátula, usando el ranurador para verificar las dimensiones. No se aconseja utilizar el ranurador curvo con sección trapezoide porque genera una pérdida de adherencia al suelo.

La evaporación en un ambiente seco durante el remoldeo y manipulación en la copa, incrementa el número de golpes rápidamente.

(a)

(b)
Figura 9.
(a) Cuchara Ranuradora Estándar para Determinación de Límite Líquido.
(b) Dimensiones de la Ranura en la Copa de Casagrande.

En general, este límite líquido corresponde al de Atterberg, definido como el contenido de agua en el punto de transición de la muestra, de un estado líquido a un estado plástico, en donde el suelo adquiere una cierta resistencia al corte.

Figura 10. Dispositivo para Determinación del Límite Líquido (Aparato de Casagrande).

En la práctica es difícil mezclar el suelo de manera tal que el cierre ocurra exactamente a 25 golpes, pero Casagrande encontró que graficando los valores del contenido de agua de las pruebas que se acercaran al número de golpes contra el logaritmo del número de golpes se obtenía una línea recta llamada curva de flujo (ver figura 11). Donde la curva de flujo atraviesa los 25 golpes, este contenido de agua se denomina límite líquido.

La ecuación de la curva de flujo es:


donde,

w: Contenido de agua como porcentaje del peso seco.
Fw: Indice de flujo, pendiente de la curva de flujo, igual a la variación del contenido de agua correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica.
N: Número de golpes. Si N < 10, aproxímese a medio golpe; por ejemplo, si en el golpe 6 se cerró la ranura 0.63 cm (1/4”) y en el golpe 7 se cerró 1.9 cm (3/4”), repórtense 6.5 golpes.
c: Constante que representa la ordenada en la abcisa de 1 golpe; se calcula prolongando el trazo de la curva de flujo.

Figura 11. Curva de Flujo a partir de la Prueba de Límite Líquido.

La prueba de límite líquido es de alguna forma más arbitraria y requiere de alguna práctica para adquirir consistencia y resultados reproducibles.

Aunque los ensayos de límite líquido y límite plástico parecen sencillos, ambas pruebas requieren de alguna práctica para obtener resultados consistentes. En Inglaterra y Suecia, la prueba de caída de cono es utilizada para determinar el límite líquido (Hansbo, 1957). Parece producir resultados más consistentes que el dispositivo de Casagrande, especialmente para arcillas suecas y es de alguna forma más simple y fácil de usar. Karlsson (1977) presenta una excelente discusión de la confiabilidad de ambos procedimientos, en su artículo “Consistency Limits” en cooperación con el Laboratory Committee of The Swedish Geotechnical Society, Swedish Council for Building Research, Document D6, 40 pp.

Método de Un Punto

La necesidad de ejecutar muchos ensayos de límites líquidos llevó a desarrollar un método de determinación que tuviese conexión con la curva de flujo, ya que comentarios de Casagrande decían que suelos de una misma muestra deberían tener curvas de flujo con pendiente constante. Por ello, ocasionalmente, la prueba de límite líquido de un punto puede ser utilizada, debido a que para suelos de origen geológico similar, las pendientes de las curvas de flujo son similares. Luego, todo lo que debe hacerse es obtener el contenido de humedad wn de la muestra con el cierre de la ranura a cualquier conteo de golpes n y utilizar la siguiente relación obtenida por la U.S. Waterways Experiment Station realizó estudio sobre 767 ensayos de límite líquido correspondientes a suelos aluvionales y suelos costeros del Valle de Mississippi:


Donde tan β es la pendiente de la curva de flujo en escala doble logarítmica y “ω” es la humedad correspondiente al número de golpes “n” obtenido en la determinación de un punto mediante el Aparato de Casagrande.

Para mejores resultados, el número de golpes n, debe estar dentro del rango 10 - 40. Lambe (1951), la U.S. Army Corps of Engineers (1970) y Karlsson (1977) brindan muy buenas discusiones sobre la prueba de límite líquido de un punto.

El valor obtenido de tan β para 432 ensayos de suelos aluvionales fue de 0.115. Para 136 ensayos de los suelos del Oeste del Valle, tan β=0.125 y para 135 ensayos de los suelos del Este del Valle, tan β=0.130. Para los 767 ensayos realizados en todo el proyecto, el valor promedio obtenido fue de tan β=0.121 con una desviación estándar de ±0.032. Lo que significa que todos los suelos no poseen exactamente la misma pendiente pero están cerca de un valor medio.

En la determinación del límite líquido por el método de un punto, W. J. Eden propone multiplicar la humedad obtenida “ω” para cierto numero de golpes “N” por un factor de corrección “Cn” como se muestra en la Tabla I, suponiendo que la pendiente de la curva de flujo es constante (0.100) para todos los suelos excepto para suelos con gran contenido de materia orgánica o cuando se requiera una exactitud especial en la determinación.

Tabla I. Factor de corrección del límite líquido (W. J. Eden).

La fuerza que se opone a la fluencia de los lados de la ranura proviene de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, por lo que el número de golpes requerido para cerrar la ranura es una medida de esa resistencia al correspondiente contenido de agua.

De lo anterior puede deducirse que la resistencia de todos los suelos en el límite líquido debe ser la misma, siempre y cuando el impacto sirva solamente para deformar el suelo, como es el caso de los suelos plásticos; pero en el caso de los suelos no plásticos (arenosos), de mayor permeabilidad que las arcillas, las fuerzas de impacto producen un flujo del agua hacia la ranura, con la consecuencia de que el suelo se reblandece en las proximidades de aquella, disminuyendo su resistencia al esfuerzo cortante; por ello en esos suelos, el límite líquido ya no representa un contenido de agua para el cual el suelo presente una resistencia al corte definida.

Por pruebas de laboratorio se determinó que el límite líquido de un suelo plástico corresponde a una resistencia de 25 gr/cm². La hipótesis de que el número de golpes es una medida de la resistencia al corte del suelo fue enunciada por A. Casagrande y se confirma por el hecho de que una gráfica semilogarítmica de la resistencia contra el contenido de humedad es recta y no solo en la vecindad del límite líquido, sino en consistencias bastante diferentes.

El límite líquido parece ser directamente proporcional a la compresibilidad de las arcillas y para suelos cohesivos este límite representa un estado cercano al líquido, es decir, presenta una resistencia al corte no drenada de alrededor 0.01 lb/pie².

Apéndice

DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE UN SUELO (Basado en Norma ASTM D4318-00)

1. Descripción:

Este método cubre la determinación del límite líquido de un suelo mediante la elaboración de una curva de flujo, resultado de la determinación de tres puntos con la ayuda del Aparato de Casagrande.

2. Definición:

El límite líquido es el contenido de agua, expresado en porcentaje respecto al peso del suelo seco, que delimita la transición entre el estado líquido y plástico de un suelo.

Se define como el contenido de agua necesario para que la ranura de un suelo ubicado en el equipo de Casagrande, se cierre después de haberlo dejado caer 25 veces desde una altura de 10 mm.

3. Muestra:

La cantidad usada es de aproximadamente 100 gr de suelo que pasa la malla N° 40 de la muestra original, previamente secada al aire.

4. Procedimiento:

4.1. Ubique la muestra dentro de un recipiente adecuado que permita mezclarlo con agua.

4.2. Adicione agua y empiece un proceso de homogenización, de tal forma que el agua se incorpore a la muestra de suelo.

4.3. Cuando el suelo y el agua formen una masa consistente, ubique una porción en el recipiente del equipo de Casagrande, con la ayuda de la espátula verifique que el nivel de la muestra de suelo no supere el borde del recipiente y que el nivel máximo entre la base del recipiente y el suelo sea de 10 mm. El exceso de suelo retírelo y retórnelo al recipiente donde está realizando la mezcla.

4.4. Con la ayuda del ranurador, divida el suelo que está en el recipiente del equipo de Casagrande en dos mitades, mediante un movimiento suave a lo largo del diámetro de éste, de atrás hacia la parte frontal. El movimiento debe ser cuidadoso propiciando la construcción de la ranura en un solo movimiento y de manera que esta llegue hasta el fondo, quede limpia y no se dañen los bordes de las mitades de suelo generadas.

4.5. Una vez hecho el surco o ranura, con la ayuda de la manivela del equipo, damos golpes sin parar a la cuchara a una velocidad de 2 golpes/segundo, hasta que las dos mitades se junten 12 mm. Se debe registrar el número de golpes en los cuales se cerró la ranura.

4.6. Se remueve del equipo parte de la muestra de suelo, procurando tomarla del sector donde se cerró la ranura. La muestra tomada es llevada a una cápsula, se registra su peso y se somete a secado para determinar su humedad.

4.7. Este proceso se repite 3 veces, adicionando agua o extendiendo la muestra para someterla a secado, facilitando así la obtención de otros puntos con diferente humedad y número de golpes.

5. Cálculos:

Determine el contenido de agua, expresado en porcentaje de peso respecto al peso del suelo seco:

w= Ww / Ws x 100

Donde:

Ww: Peso del agua presente dentro de la muestra. Se determina como la diferencia entre el peso húmedo y el peso seco de la muestra.

Ws: Peso seco de la muestra.

Recuerde que en varias ocasiones es necesario tener en cuenta el peso del recipiente en que la muestra es llevada al horno.

6. Elaboración de la curva de Flujo:

El objetivo de este procedimiento es obtener los puntos suficientes para construir un gráfico con el número de golpes vs. humedad en escala semilogarítmica, obtener una recta e interpolar a los 25 golpes para conocer la humedad, y este valor es el correspondiente al Límite Líquido.

Características del Suelo Derivadas del Límite Líquido

1. Elevado LL – Alto contenido de arcilla; Bajo LL – Alto contenido de arena

2. Elevado LL – Baja capacidad portante; Bajo LL – Elevada capacidad portante

3. Suelo típico rico en arcilla --> LL = 40-60%; no obstante puede ser > 100% (más de la mitad de la masa es agua)

4. LL y f (tan f) están inversamente relacionadas.

a. f = 30° --> LL = 40%
b. f =  6° --> LL = 80%

5. Arcillas duras son aquellas con bajo LL (y elevado IP)

6. Arcillas blandas son aquellas con elevado LL (y bajo IP)

La relación entre el Límite Líquido y el Índice de Plasticidad ofrece importante información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla.

¿Por qué 25 golpes para el Límite Líquido?

Esta es otra interesante pregunta que surge durante la realización del ensayo de límite líquido y que gracias a la serie de artículos sobre los Límites de Atterberg que nos ocupa, traigo desde el recomendado blog geodiendo.

Como es sabido, la resistencia a esfuerzo cortante, o cohesión, no es un valor intrínseco del suelo, depende de las tensiones soportadas en el pasado y de la humedad.

Al aumentar la humedad disminuye la cohesión, es intuitivo, si se sigue añadiendo agua al final el conjunto deja de ser plástico y pasa a ser líquido.

Pues bien, justo en ese punto, cuando la humedad coincide con el Límite Líquido, "casi todos" los suelos presentan la misma cohesión o resistencia a corte: 2,50 kN/m².

Por esa razón da 25 golpes la cuchara (también llamada cazo o copa) de Casagrande, porque está diseñada para crear un esfuerzo de 0,1 kN/m² en cada golpe, es decir, que si el suelo rompe a 25 golpes es que está en su Límite Líquido. Y no doy más detalles del ensayo porque para eso ya hay normas.

Lo malo del método:

que ni todos los suelos son iguales ni la resistencia a corte es exactamente de 2,50 kN/m², digamos que oscila entre 1,10 y 3,20 kN/m².

que darle golpes al suelo es un ensayo dinámico, algo totalmente desaconsejado para materiales arcillosos en casi todos los textos y normativas.

que el propio Arthur Casagrande, el mismo que propuso el "invento" en 1932, planteó en 1958, tras 25 años de pruebas, cambiarlo por algún otro ensayo que presentara menos errores, aunque como dice en las páginas de Géotecnique de aquel año "Desafortunadamente, por ahora ninguno de estos ensayos está lo suficientemente simplificado como para competir, en simplicidad y coste, con el actual".

la norma British Standard propone un material distinto para la superficie de rebote de la cuchara, obteniendo valores más bajos, algo a tener en cuenta si se usan correlaciones de suelos británicos, como las arcillas de Londres, por ejemplo.

Lo bueno del método:

Que confirma algo muy interesante: Si la cohesión de un suelo natural depende de su humedad y del historial de tensiones, como al molerlo y amasarlo para hacer el ensayo se rompe toda su estructura anterior, la cohesión ya sólo tendría que depender de la humedad.

Y eso es justamente lo que ocurre, si representamos la cohesión remoldeada frente al índice de liquidez (ese que nos indica en qué posición real nos encontramos respecto de los límites), se observa esa dependencia (que todavía se ajusta mucho mejor si se usa el método del cono, con menor dispersión).



Conclusión:

La resistencia al corte de una arcilla amasada depende sólo de su índice de liquidez, y como dice el Tomo I del Geotecnia y Cimientos, "Desgraciadamente, para muestras inalteradas no existe una relación parecida, que pudiera servir al menos para tanteos".

Claro que, si los índices de plasticidad son algo intrínseco del suelo... ¿sería posible entonces obtener la carga de hundimiento de un suelo a partir de los límites de Atterberg?

La respuesta es SI... pero lo barato sale caro.

El procedimiento para la determinación del límite líquido se encuentra descrito en:

AASHTO T 89-02
ASTM D 4318-00
I.N.V.E-125-07


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jueves, 18 de noviembre de 2010

Consistencia del Suelo - Límites de Atterberg - Albert Mauritz Atterberg

En la ingeniería geotécnica, la medición de la resistencia a la deformación de un suelo de grano fino (arcillas y limos), expresada en su grado de cohesión y adhesión, se conoce como la consistencia del suelo.

La consistencia del suelo está gobernada por la relación suelo-agua, y es una de sus propiedades índice geotécnicas más importantes, por cuanto involucra:

  • su resistencia a la ruptura,
  • su resistencia a la penetración,
  • su plasticidad, firmeza y dureza al ser remoldeado y,
  • su comportamiento bajo esfuerzos de compresión.

El resultado de la medición de la consistencia del suelo en términos de su grado de humedad, brinda una gran cantidad de información al ingeniero geotécnico respecto de las características de resistencia y comportamiento del material, su mineralogía y posición en un grupo de clasificación técnica.

Límites de Consistencia de Suelos de Grano Fino

En el desarrollo de la mecánica de suelos y de la ingeniería geotécnica se han utilizado los Límites de Atterberg para medir la consistencia del suelo, pero cuantas veces nos hemos preguntado: quien era Atterberg?

Albert Mauritz Atterberg nació el 19 de marzo de 1846 en Härnösand (Suecia), una pequeña ciudad pesquera en la que su padre, Anders Magnus, era constructor y concejal.

Fotografía tomada en 1872

Estudió Química en la Universidad de Uppsala donde recibió su doctorado en Ciencias Químicas en 1872 y continuó trabajando allí como profesor de química analítica hasta 1877, tiempo durante el cual recorrió Suecia y otros países investigando los últimos avances en química orgánica, especialmente los derivados del molibdeno y del nitrógeno, y especializándose posteriormente en el estudio de los terpenos.

En julio de 1877, se convirtió en el director de la 'Estación de Química y el Instituto de Control de Semillas' en Kalmar, al sur de Suecia, publicando numerosos trabajos sobre investigación agrícola que se ocupan de la clasificación de las variedades de semillas de avena y maíz entre 1891 y 1900.

En 1900, a los 54 años, y como algo secundario, decide estudiar las propiedades físicas de los suelos en función de su granulometría, buscando una manera rápida de clasificar los suelos agrícolas. En 1901 presenta un primer sistema de clasificación de suelos, en el que ya establece el tamaño 0,002 mm como límite entre las arenas y los suelos finos, división que se ha mantenido hasta hoy.

Encontró que la plasticidad era una característica particular de la arcilla y, como resultado de sus investigaciones llegó a los límites de consistencia que llevan su nombre hoy en día. También realizó estudios con el objetivo de identificar los minerales específicos que le dan un suelo arcilloso su naturaleza plástica.

En 1903 publica una serie de artículos sobre los distintos comportamientos de las arenas en función de su granulometría y composición, pero continúa sin poder clasificar la fracción fina del suelo.

A diferencia de las arenas, la granulometría no explica el comportamiento de los suelos finos y, además, los ensayos de granulometría por sedimentación son demasiado lentos, todo lo contrario de lo que está buscando. Decide cambiar de estrategia y estudiar otra propiedad de los suelos finos, la plasticidad.

En 1908 publica en revistas nacionales sus primeros resultados sobre la plasticidad del suelo y su relación con los distintos grados de humedad, en 1911 publica sus resultados en revistas internacionales y pronto recibe los primeros elogios. Así, en 1913, su trabajo obtuvo reconocimiento formal en cuando el Congreso de Berlín de la "International Society of Soil Science" adopta su clasificación de suelos.

En 1915, un informe del "U.S. Bureau of Standards" recomienda utilizar su método indicando que es "tan simple que uno podría elaborarlo, y ... es así que hay que familiarizarse con él.".

En 1937 el "U.S. Bureau of Chemistry and Soils" lo acepta también (aunque en 1932 Arthur Casagrande modificó en 1932 la forma de obtener dichos límites para estandarizarlos).

Aunque Atterberg sospechaba que eran los minerales derivados del hierro los que proporcionaban al suelo esa plasticidad, y que ésta podía ser mmayor o menor dependiendo de su estructura química, no llegó a concluir sus investigaciones, al fallecer en 1916, a la edad de 70 años.

Fue nombrado Caballero de la Orden de Vasa en 1898, miembro de la Academia de Agricultura en 1900 y Caballero de la Orden Nordstjaman en 1911, recibió la Medalla de Oro de la Academia de Agricultura en 1913 y fue Presidente de la "International Commissión on Mechanical and Physical Soil Research" entre 1910 y 1915.

La importancia de la labor de Atterberg nunca se ha reconocido plenamente en su propio campo de la ciencia agrícola, ni en otros temas relacionados con las arcillas, como la cerámica. Su introducción al campo de la ingeniería geotécnica se debió a Karl Terzaghi, quien se dio cuenta de su importancia en una etapa relativamente temprana de su propia investigación. El asistente de Terzaghi, Arthur Casagrande, estandarizó las pruebas en su reporte "Research on the Atterberg Limits of Soils" de 1932, desde entonces, los procedimientos se han seguido en todo el mundo.

Dicen los textos que el trabajo de Atterberg encontró un campo de aplicación muy alejado del previsto, cuando Karl Terzaghi se dio cuenta del enorme potencial que tenían los límites de Atterberg en el estudio geotécnico de los suelos... cosa que no termina de quedar clara si se tiene en cuenta que a principios del siglo XX, la geotecnia sueca era de las más avanzadas del mundo (con especialistas como John Olsson, Wolmar Fellenius, Sven Hultin, Knut Petterson y Walter Kjellman) y que ya en 1915, se utilizaba en Suecia un penetrómetro de cono de caída libre, el llamado "swedish fall cone test".


En la actualidad, todavía se utiliza en Suecia la escala de diámetros de partícula de Atterberg.

Otros enlaces de interés:

Referencias:
  • Blackall, T. E. (1952). "A. M. Atterberg 1846-1916," Geotechnique, 3(1), pp. 17-19.
  • Casagrande, A. (1932). "Research on the Atterberg Limits of Soils", Public Roads 12(3), pp. 121-30 and 136.
  • Kinnison, C. S. (1915). Technological Papers of the Bureau of Standards No. 46. A Study of the Atterberg Plasticity Method, U.S. Department of Commerce, Bureau of Standards, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., pp. 10.

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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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