La condición física de la mezcla de suelo y agua está denotada por la Consistencia. La Consistencia se define como la resistencia al flujo, que está relacionado con la fuerza de atracción entre partículas y es más fácil de sentir físicamente que de describir cuantitativamente (Yong & Warketin, 1966) (en Soil Mechanics Basic Concepts and Engineering Application. Aysen, A. 2002).
En estas condiciones podemos definir los límites de Atterberg como:
Límite Líquido: El Límite Líquido LL es el contenido de humedad por encima del cual la mezcla suelo-agua pasa a un estado líquido. En este estado la mezcla se comporta como un fluido viscoso y fluye bajo su propio peso. Por debajo de éste contenido de humedad la mezcla se encuentra en estado plástico. Cualquier cambio en el contenido de humedad a cualquier lado de LL produce un cambio en el volumen del suelo.
Límite Plástico: El Límite Plástico LP es el contenido de humedad por encima del cual la mezcla suelo-agua pasa a un estado plástico. En este estado la mezcla se deforma a cualquier forma bajo ligera presión. Por debajo de éste contenido de humedad la mezcla está en un estado semi sólido. Cualquier cambio en el contenido de humedad a cualquier lado de LP produce un cambio en el volumen del suelo.
Límite de Contracción: El Límite de Contracción es el contenido de de humedad por encima del cual la mezcla suelo-agua pasa a un estado semi sólido. Por debajo de éste contenido de humedad la mezcla se encuentra en estado sólido. Cualquier incremento en el contenido de humedad está asociado con un cambio de volumen pero una reducción en el contenido de humedad no produce un cambio de volumen. Este es el mínimo contenido de humedad que provoca saturación completa del a mezcla suelo-agua. El volumen permanece constante mientras la mezcla pasa del estado seco a LC moviéndose desde saturación 0 % a 100 %. En el lado húmedo de LC el volumen de la mezcla se incrementa linealmente con el contenido de humedad.
Los Límites de Atterberg son mundialmente utilizados en la clasificación de suelos finos. Encontrar relaciones entre estos límites y las propiedades del suelo ha sido materia de investigación durante muchos años. Terzaghi & Peck (1967) sugirieron la proporción directa entre LL y la compresibilidad del suelo. Sherard (1953) reportó un comportamiento similar mientras investigaba los efectos de las propiedades índice en el comportamiento de presas de tierra. Whyte (1982) sugirió un método basado en la extrusión para la determinación de LP y encontró que la relación de resistencia en LP comparada con la relación de resistencia en LL es de aproximadamente 70. Según Skempton & Northy (1953) ésta relación es de aproximadamente 100. Una colección comprensiva de ecuaciones relacionando los índices de compresibilidad y la plasticidad del suelo fue reportada por Bowles (1996). Estas relaciones pueden ser útiles en la orientación de las primeras etapas de un estudio de factibilidad previas a la ejecución de la exploración del suelo y ensayos de su resistencia.
LL para minerales de arcilla puede varias desde 50 para la caolinita a 60 para la ilita y hasta 700 para la montmorillonita. la caolinita e ilita exhiben LP medio de 25 a 35, mientras la montmorillonita puede tener LP de 100 (en Soil Mechanics Basic Concepts and Engineering Application. Aysen, A. 2002).
LP es altamente influenciado por el contenido orgánico del suelo ya que elevan su valor sin aumentar LL, por esto suelos con alto contenido orgánico presentan IP bajo y LL elevado.
LL y LP dependen de la cantidad y tipo de arcilla en el suelo. IP depende solo de la cantidad de arcilla (de allí la relación de Skempton para definir la actividad de la arcilla, basada en IP).
Índices obtenidos a partir de los Límites de Atterberg
Los parámetros de correlación más útiles, obtenidos a partir de la determinación de los límites de Atterberg son : el índice de plasticidad IP, el índice de liquidez IL, el índice de contracción IC y el grado de actividad de las arcillas Ac, los cuales se definen en la tabla a continuación :
INDICE
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DEFINICION
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CORRELACION
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De Plasticidad
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IP = LL - LP
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Resistencia, compresibilidad, compactabilidad, etc.
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De Liquidez
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Compresibilidad, resistencia del suelo y estado de esfuerzos.
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De Contracción
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IC = LP - LC
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Potencial de contracción.
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Actividad de las Arcillas
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Potencial de expansión y otros.
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Índice de Plasticidad IP
Atterberg definió el índice de plasticidad para describir el rango de contenido de humedad natural sobre el cual el suelo era plástico. El índice de plasticidad IP, es por tanto numéricamente igual a la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico:
IP = LL - LP
El índice de plasticidad es útil en la clasificación ingenieril de suelos de grano fino y muchas propiedades de ingeniería se han correlacionado de forma empírica con este. Un suelo con un IP = 2 tiene una gama muy estrecha de plasticidad, por el contrario, un suelo con un IP = 30 tiene características plásticas muy elevadas.
Con frecuencia, con fines de construcción se especifican suelos con un determinado IP plasticidad que se encuentra por debajo de cierta cantidad dada. Puesto que los suelos que conforman la subrasante para carreteras y autopistas se mejorarán necesariamente en alguna ocasión, los departamentos de caminos casi siempre requieren que la base de pavimentación de las carreteras tenga un IP < 4.
En general, los suelos arcillosos, resbaladizos, que pueden remoldearse con facilidad y laminarse en tiras largas, tienen un IP elevado y son materiales inadecuados como base de carreteras.
A menudo se utiliza cemento para agregar resistencia al suelo in situ. Por lo común, la cantidad utilizada está entre 5 - 10 % de la tierra utilizada, teniendo resistencias entre 300 - 800 psi.
A menudo se emplea cal para mejorar las características de los suelos arcillosos. Por lo común, estos últimos son pobres y su subrasante es inestable para soportar la base de pavimentación, poseen un IP elevado. La adición de cal reduce el IP y se puede duplicar la resistencia de la arcilla compactada. La cal tiende a desecar el suelo, cuando la arcilla esté demasiado mojada para poder compactarla.
En la siguiente tabla se presenta la calificación del rango de plasticidad del suelo de acuerdo con el valor de IP.
PLASTICIDAD
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DESCRIPCION DEL SUELO
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RANGO IP
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NULA
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Limo
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0 - 3
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BAJA
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Limo con trazas de arcilla
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4 - 15
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MEDIA
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Limo arcilloso
Arcilla limosa
Arcillas y limos orgánicos
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16 - 30
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ALTA
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Arcilla limosa
Arcilla
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> 31
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Bajos valores de IP se son indeseables porque se considera que el suelo cambia rápidamente (en términos de agua adicional) de un comportamiento semi sólido a uno líquido. Para actividades de construcción la condición deal deseada es un IP elevado y bajo LL. Pero deben tomarse precauciones porque suelos con elevado IP pueden ser potencialmente expansivos.
Las arcillas varían mucho en sus características físicas y químicas. Debido a las partículas extremadamente finas, es difícil investigar a profundidad sus propiedades, pero algunas de estas propiedades se pueden expresar en términos de plasticidad utilizando pruebas estándar.
Tanto LL como IP se ven afectados por la cantidad de arcilla, y el tipo de minerales de arcilla presentes.
Un LL e IP altos indican un suelo hidrófilo y por lo tanto más susceptible a los cambios en el contenido de humedad, que puede conducir a agrietamientos.
Es importante recordar aquí la definición de plasticidad, entendida como aquella propiedad del suelo que le permite ser deformado rápidamente sin romperse, sin rebote elástico y sin cambio de volumen. Según la teoría de Goldschmith, la plasticidad se debe a la presencia de partículas muy delgadas con cargas electro-magnéticas en su superficie. Las moléculas de agua son bipolares y se orientan como pequeños imanes con el campo magnético cercano a la superficie de las partículas de suelo. El agua es altamente viscosa en proximidad a las partículas del suelo, pero a medida que la distancia se amplía, la viscosidad disminuye hasta la distancia en donde hay agua normalmente. Cuando hay suficiente agua (correspondiendo con el estado plástico de consistencia) las partículas son separadas por molasas de agua que permiten a las partículas deslizarse entre si y adoptar nuevas posiciones, sin presentar tendencia a regresar a su posición original, sin cambio de volumen de vacíos y sin afectar la cohesión (En "Soil Mechanics and Foundations". Dr. B.C. Punmia, Ashok Kumar Jain, B.C. Punmia, Arun Kr. Jain).
Índice de Plasticidad y Ángulo de Fricción Residual de Suelos Cohesivos
A lo largo de planos de falla preformados, después de movimientos grandes, los suelos cohesivos presentan una resistencia cortante muy reducida (residual). El ángulo correspondiente de fricción efectiva f´r, depende del índice de plasticidad IP (ver la figura a continuación). El parámetro f´r se aplica en un análisis de estabilidad en suelos donde han ocurrido movimientos previos (deslizamientos).
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| Curvas que indican la variación del ángulo de fricción efectiva con el índice de plasticidad en suelos no alterados, normalmente consolidados y en suelos remoldeados. |
Índice de Liquidez
También conocido como la Relación Agua-Plasticidad, el Índice de Liquidez IL es el índice utilizado para medir a escala el contenido de humedad natural de una muestra de suelo, respecto de los límites líquido y plástico (indirectamente sirve para tener una medida aproximada de la resistencia del material), siendo definido como:
donde wn es el contenido de humedad natural (el encontrado en campo o en estado natural) de la muestra en cuestión. IL compara el contenido natural de humedad que presenta un suelo en el campo con LL y LP, y es un excelente indicador de la historia geológica y las propiedades relativas del suelo, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura:.
IL contribuye a evaluar el grado de desecación comparativo en diferentes muestras de suelo, reduciendo la variación debida a la litología, al escalar el contenido de humedad respecto de la plasticidad. También, el índice de liquidez IL, refleja los efectos del contenido de humedad sobre una muestra de suelo remoldeada y saturada.
La norma Británica (BS 1377:1990) y la norma Vietnamita (TCVN 4197:1995), consideran que la comparación de humedades utilizada en la fórmula de IL, es ilógica, debido a las siguientes razones:
- El contenido de humedad de una muestra de suelo, se lleva a cabo en la totalidad de la muestra, incluyendo la fracción gruesa (considerada como un componente no plástico) y la fracción fina (considerada como un componente plástico).
- El límite líquido LL y límite plástico LP, se llevan a cabo solamente en la porción fina. La forntera entre la porción gruesa y la porción fina, depende de las normas aplicadas. Por ejemplo, este límite es de 1,0 mm para el estándar vietnamita y de 0,425 mm para la ASTM o BS.
Por lo anterior, proponen una corrección a w en el caso inglés, y a LL y LP en el caso vietnamita, considerando el porcentaje de fracción fina del material.
La norma Americana (ASTM D4318) no requiere ninguna corrección.
IL se expresa por lo general en porcentaje y puede utilizarse para evaluar el comportamiento de un depósito de suelo si este se encuentra alterado. Con base en el continuo de humedad, al comparar los valores de IL puede establecerse:
IL
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COMPORTAMIENTO DEL SUELO
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< 0.0
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Demostrará fractura rígida al ser sometido a corte, porque el contenido natural de humedad wn es menor que el límite plástico LP. En este caso el suelo estará en estado sólido a semi sólido.
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0.0 - 1.0
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Como un plástico. Rango que comprende la mayoría de las arcillas en estado natural.
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> 1.0
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Será esencialmente un líquido muy viscoso cuando se somete a corte, porque el contenido natural de humedad wn es mayor que el límite líquido LL. Tales suelos pueden ser extremadamente sensibles al colapso de la estructura del suelo. Mientras no sean alterados de manera alguna pueden ser relativamente fuertes, pero si por alguna razón son sometidos a corte (remoldeo) y la estructura del suelo colapsa, entonces literalmente pueden fluir como un líquido viscoso. Hay depósitos de arcillas ultra sensibles (licuables o rápidas) en Canadá oriental y Escandinavia.
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IL indica en suelos plásticos la historia de esfuerzos a que ha estado sometido el suelo.
IL cercano a 0 - Suelo preconsolidado (suelo que ha soportado presiones efectivas mayores a las encontradas al momento de la prueba por los estratos en estado natural). Por ejemplo, suelos que en superficie han estado sometidos a la acción de la erosión (remoción de estratos superficiales).
IL cercano a 1 - Suelo normalmente consolidado (suelo que nunca ha estado sometido a presiones efectivas mayores que las encontradas al momento de la prueba en estado natural). En estos suelos wn cercana a LL.
IL cercano a 0.20 indica que el suelo siendo altamente plástico tendrá poca o nula expansión.
IL = 1, el suelo remoldeado se encuentra en el límite líquido LL y posee una resistencia al corte no drenada de aproximadamente 2 kPa.
IL = 0, el suelo remoldeado se encuentra en su límite plástico LP y posee una resistencia al corte no drenada de aproximadamente 200 kPa.
IL = 1, el suelo remoldeado se encuentra en el límite líquido LL y posee una resistencia al corte no drenada de aproximadamente 2 kPa.
IL = 0, el suelo remoldeado se encuentra en su límite plástico LP y posee una resistencia al corte no drenada de aproximadamente 200 kPa.
Un depósito natural de suelo con w(%) > LL, tendrá un IL > 1.0. En estado inalterado, estos suelos pueden parecer estables, pero un impacto súbito puede conducirlos al estado líquido. Este tipo de suelos se denomina arcillas sensibles o sensitivas.
Actividad de las Arcillas
La plasticidad se atribuye a la deformación de la capa de agua adsorbida alrededor de las partículas de mineral de arcilla. Por lo tanto, el grado de plasticidad que presenta un suelo está relacionado con el tipo y cantidad de minerales arcillosos presentes. Como guía, entonces, el agua absorbida por un suelo brinda algún estimativo de la cantidad de arcilla presente en dicho suelo. En 1953, Skempton definió la actividad A de una arcilla como:
Donde la fracción de arcilla usualmente se toma como el porcentaje en peso del suelo menor de 2 mm.
La información proveniente de la actividad de la arcilla puede proveer una cierta inclinación al tipo de arcilla presente y en consecuencia el comportamiento natural del suelo. Por ejemplo el nivel relativo de actividad esperado es bajo para la caolinita, medio para la ilita y alto para la montmorillonita.
Según el grado de actividad, las arcillas se clasifican así:
ACTIVIDAD
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CLASIFICACION
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TIPO DE ARCILLA
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POTENCIAL DE
CAMBIO DE VOLUMEN
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A < 0.75
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Inactivas
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CAOLINITA
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BAJO
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0.75 < A < 1.25
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Normales
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ILITA
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MEDIO
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A > 1.25
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Activas
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MONTMORILLONITA (A > 7.0)
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ALTO
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La actividad ha sido útil para cierta clasificación y correlaciones de propiedades de ingeniería, especialmente para arcillas activas e inactivas. También hay una correlación regular a buena, de la actividad y tipo de mineral de arcilla. Sin embargo, solo los límites de Atterberg son usualmente suficientes para estos propósitos y la actividad no produce realmente nueva información.
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| Curva de Flujo para Determinación del Indice de Flujo. |
Índice de Flujo
Corresponde a la pendiente de la línea que representa en la figura anterior el contenido natural de humedad, expresado en porcentaje; contra el número de golpes en la determinación de LL.
Con base en la determinación de un punto anterior a los 25 golpes, puede calcularse el índice de flujo mediante la siguiente expresión:
donde,
w1: Humedad al número de golpes N1.
N1: Número de golpes anterior a los 25 golpes.
Índice de Dureza
El índice de dureza, también llamado Indice de Resistencia, ID o IR, está definido por la siguiente expresión:
Este índice representa la rapidez con que el suelo pasa del estado semisólido al estado líquido según la magnitud del rango de plasticidad, es decir, a menor valor del índice de flujo, el índice de dureza tendrá un mayor valor, o sea, la susceptibilidad a originar un estado líquido (flujo de lodos), será menor. A menor valor del índice de flujo, el suelo será más susceptible a pasar rápidamente a un estado líquido.
Índice de Tenacidad
La tenacidad se conoce como aquella consistencia que presentan los suelos, cerca de LP. La potencialidad de la fracción arcillosa de un suelo se identifica por la mayor o menor tenacidad del rollo de suelo al acercarse a LP y por la rigidez de la muestra al romperse finalmente entre los dedos.
La debilidad del rollo en LP, y la rápida pérdida de la coherencia de la muestra al rebasar este límite, indican la presencia de arcilla inorgánica de baja plasticidad o de materiales tales como arcilla del tipo caolín y arcillas orgánicas que caen abajo de la línea A. Las arcillas altamente orgánicas se sienten muy débiles y esponjosas al tacto en LP.
La resistencia de diferentes suelos arcillosos en LP no es constante, sino que puede variar ampliamente. En arcillas muy plásticas, la tenacidad en LP es alta, debiéndose aplicar fuerte presión con las manos para formar los rollos. Las arcillas de baja plasticidad son poco tenaces en LP.
Algunos suelos finos y arenosos pueden, en apariencia, ser similares a las arcillas, pero no pueden formar rollos, entonces el límite líquido es prácticamente igual al plástico y aún menor, dando un IP negativo, luego no vale la pena obtener valores.
Si dos suelos plásticos tienen igual LP ó IP pero diferentes curvas de flujo, el suelo con curva de menor pendiente, o sea el de menor índice de flujo; tendrá mayor resistencia en LP ; la resistencia al esfuerzo cortante de una arcilla en LP es una medida de su tenacidad, por lo que puede darse que la tenacidad de las arcillas de igual IP crece a menor índice de flujo. En efecto sean :
Fw : Indice de flujo
S1 : 25 gr/cm², resistencia al esfuerzo cortante de los suelos plásticos en LL.
S2 : Resistencia al esfuerzo cortante correspondiente a LP cuyo valor puede usarse para medir la tenacidad de una arcilla.
Si IP = LL - LP, poniendo en lugar de N su equivalente Cs, donde C representa la relación entre el número de golpes y la correspondiente resistencia, puede escribirse de :
w = - Fw log N + C
LL = - Fw log Cs1 + C´ (a)
LP = - Fw log Cs2 + C´ (b)
Si : (a) - (b)
IP = LL - LP = Fw (log Cs2 - log C s1)
IP = Fw log (s2 /s1)
de donde, el Indice de Tenacidad Tw será :
El índice de tenacidad, junto al de fluidez, sirve para diferenciar las características de plasticidad de las arcillas. Varía generalmente entre 1 - 3 y difícilmente es igual a 5 o menor a 1.
Índice de Compresibilidad
Desde que se considera que el límite líquido parece ser directamente proporcional a la compresibilidad de las arcillas, este ha sido relacionado empíricamente. Terzaghi y Peck lo definieron como:
Cc = 0.009 (LL - 10) con LL expresado en %.
Índice de Consistencia Relativa
Tambien denominado por algunos autores como Consistencia Relativa, está definido como:
donde wn el es contenido de humedad del suelo en su estado natural.
Este índice es útil en el estudio del comportamiento en campo de suelos de grano fino saturados.
Si CR < 0, o sea, wn > LL el amasado del suelo lo transfroma en un lodo viscoso.
CR cercano a 0 indica que el suelo tiene resistencia a la compresión inconfinada entre 0,25 - 1,00 kg/cm².
CR cercano a 1 indica que el suelo tiene resistencia a la compresión inconfinada entre 1,00 - 5,00 kg/cm².
La resistencia al esfuerzo cortante del suelo crece en la medida en que 0 < CR < 1.
0,00 < CR < 0,25 - Suelo muy blando
0,25 < CR < 0,50 - Suelo blando
0,50 < CR < 0,75 - Suelo de consistencia media
0,75 < CR <1,00 - Suelo de consistencia rígida
Si CR = 1 el suelo se encuentra en su LP.
Si CR = 0 el suelo se encuentra en su LL.
Si CR > 1 el suelo se encuentra en un estado semi sólido y tendrá un comportamiento rígido.
Si CR < 0 sel suelo posee un contenido de humedad natural superior a su LL y se comportará como un fluido viscoso.
Otros enlaces de interés:
Referencias:
- Holtz & Kovacs. An Introduction to Geotechnical Engineering. Prentice.
