Determinación de los límites de Atterberg
Describiremos los ensayos para determinar el límite de fluencia, el límite de plasticidad y el límite de retracción, que son los más importantes en la mecánica de suelos. Todos estos ensayos se realizan sobre muestras alteradas de suelo cohesivo.
Ensayo de determinación del límite líquido
Para este ensayo se toma aproximadamente 200 p de suelo en estado naturalmente húmedo, sin granos de diámetro superior a 0,5 mm, que podrían alterar la exactitud de los resultados del ensayo. La muestra no debe secarse en estufa; se coloca directamente en una taza de porcelana con agua destilada, donde debe permanecer varias horas hasta que se humedezca bien. Para una arcilla limosa cuyo índice de plasticidad IP < 20, la humectación dura alrededor de 4 hora, y para una arcilla con IP > 20 de 18 horas. A continuación, la muestra humedecida se pasa a una placa de vidrio y, con ayuda de un cuchillo de laboratorio, se mezcla bien para obtener una pasta espesa de composición uniforme. Si se observan partículas mayores de 0,5 mm, se eliminan durante la mezcla.
La muestra así preparada se vierte en la cubeta de latón del aparato de Casagrande para la determinación del límite líquido (fig. 1), que en nuestros laboratorios se denomina agitador de Casagrande.
Fig. 1. Aparato de Cassagrande para determinar el límite de fluencia
El aparato consta de un cuenco de latón, que mediante una conexión especial se incorpora al aparato, una base elástica de caucho duro, con un excéntrico en la parte superior y una manivela de giro, por la cual el excéntrico se eleva a una altura de 1 cm, haciendo que el cuenco caiga y golpee la base (fig. 1a). Las dimensiones del aparato están normalizadas. Además, existe también un cuchillo perfilado de dimensiones exactas (fig. 1b).
La muestra colocada en la cucharilla de latón se alisa con un cuchillo de modo que la superficie de la muestra quede completamente plana y que la muestra cubra algo más de la mitad de la parte frontal de la cucharilla, de manera que su altura por encima del punto más bajo del fondo de la cucharilla sea de unos 12 mm. Luego se coloca la cucharilla en el aparato y con el cuchillo perfilado se corta un surco en el centro, de modo que quede completamente recto y que se vea el fondo de latón de la cucharilla, lo cual se logra tirando cuidadosamente del cuchillo perpendicularmente al fondo de la cucharilla. La longitud del surco debe ser de unos 40 mm. Inmediatamente después se gira la manivela del aparato a una velocidad de 2 revoluciones por segundo, contando los golpes de la cucharilla contra la base y observando el surco, que, a causa de los golpes de la cucharilla contra la base, se va estrechando, porque las partes cortadas de la muestra se mueven y tienden a unirse. El giro de la manivela del aparato continúa hasta que el surco se cierre en una longitud de 10 mm. Cuando esto se logra, se deja de girar la manivela y, a continuación, con el cuchillo se extrae la muestra en una cantidad de unos 2 cm3 del área alrededor del surco ya cerrado por ambos lados, se coloca en vidrios de reloj y se determina la humedad del suelo.
Este ensayo se repite 3-4 veces del mismo modo, pero cada vez con distinta humedad, lo que se consigue si primero se mezcla la muestra con una menor cantidad de agua y luego se añade agua para los demás ensayos. Después de cada ensayo terminado, la muestra se vierte sobre una placa de vidrio, donde se añade algo de agua y se mezcla bien, para obtener una masa pastosa uniforme, cada vez algo más fluida.
Para realizar el ensayo, la pasta preparada no debe ser ni demasiado espesa ni demasiado fluida, porque los estados de consistencia del suelo demasiado alejados del límite líquido no proporcionan la precisión necesaria para este ensayo. Por lo general se adopta que, si el número de golpes es menor que 10 o mayor que 50, el ensayo no ha dado resultado, pero se considera que la precisión del ensayo es mejor si el intervalo de estos límites es de 10-40 golpes.
Se señala que, según un procedimiento, cada vez, al terminar de girar la manivela hasta el cierre de la ranura en una longitud de 1 cm, la muestra en la cápsula de latón se mezcla inmediatamente con un cuchillo y se vuelve a alisar la superficie de la muestra en la cápsula, se corta una nueva ranura y luego se gira la manivela del aparato. Este procedimiento se repite hasta lograr que tres veces consecutivas se obtenga el mismo número de golpes al cerrar la ranura en una longitud de 1 cm, número que se adopta para el procedimiento posterior de determinación del límite de fluencia. Los resultados del ensayo se llevan al diagrama en escala semilogarítmica (fig. 2). En el eje de abscisas se coloca el número de golpes en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la cantidad de agua en porcentaje del peso seco de la muestra en escala aritmética. Como en cada ensayo la cantidad de agua w es distinta, obtendremos los puntos A, B, C y D, que corresponden a diferentes números de golpes, siendo el número de golpes menor cuanto mayor es la cantidad de agua y viceversa. Uniendo estos puntos obtenemos una línea recta oblicua, en la que buscamos el punto M para 25 golpes. La cantidad de agua correspondiente a este punto se adopta como límite de fluencia wL.
Fig. 2. Determinación del límite de fluencia
Determinación del límite de plasticidad
La muestra de suelo preparada del modo descrito arriba, pero con menos agua, de manera que la masa plástica quede aproximadamente en estado plástico-tenaz, se recoge en una bolita de unos 2-3 cm3, y luego se amasa con la palma sobre una base de papel normal o absorbente hasta formar un rollo de 3 mm de espesor. Si la muestra se puede amasar hasta ese espesor sin romperse, se vuelve a recoger en una bolita y se amasa del mismo modo. Este procedimiento se repite hasta que se consigue que el rollo, al alcanzar un espesor de 3 mm, empiece a romperse. Entonces los rollos rotos se colocan en cristales de reloj y se determina la cantidad de agua. Esa cantidad de agua, expresada en porcentaje del peso seco de la muestra, corresponde al límite de plasticidad wP.
Determinación del límite de retracción
Fig. 3. Determinación del límite de contracción
La muestra de suelo se mezcla con agua destilada de la manera descrita en Ensayo de determinación del límite líquido, de modo que su consistencia quede aproximadamente en el límite líquido, cuando todos los poros estén saturados de agua. Luego se forma una bolita que se deja secar primero al aire, y después en la estufa a 105°C. Esta secuencia de secado es necesaria para evitar grietas en la muestra seca, que perturbarían el ensayo. Al inicio se mide inmediatamente el peso W1 de la muestra y se determina su volumen V1 mediante el ensayo de inmersión en mercurio; luego se continúa el secado al aire y después en la estufa, con extracciones periódicas de la muestra, enfriamiento en el desecador y medición de su peso W2, W3, W4 etc. y de su volumen V2, V3, V4 etc. De esta manera se comprobará que, para un determinado estado de humedad, el volumen de la muestra deja de disminuir aunque su peso siga disminuyendo por efecto del secado. Si la muestra en su estado inicial está saturada de agua, es decir, no contiene aire en sus poros, la pérdida de agua por secado de la muestra hasta el límite de retracción corresponde aproximadamente a la disminución del volumen de la muestra. Después de eso el secado continúa sin medición del volumen, hasta que la muestra se seque por completo, es decir, hasta peso constante. Entonces se determina la cantidad de agua en porcentaje del peso seco de la muestra para cada medición del volumen y del peso de la muestra, y los resultados del ensayo se representan en el diagrama (fig. 3). De esta manera se obtienen los puntos A, B, C, D y E, que se unen, de modo que normalmente se obtiene una línea con una ruptura marcada en la zona del límite de retracción. En el punto de quiebre S se obtiene la humedad w que corresponde al límite de retracción _W_S.
Determinación de la capilaridad
El ensayo de determinación de la altura del ascenso capilar del agua se realiza de dos maneras: mediante medición directa de la altura del ascenso capilar del agua y mediante medición indirecta con un capilarímetro.
Ensayo para determinar la altura capilar mediante medición directa
De la muestra alterada se toman alrededor de 300 pondi de suelo, que se seca a 105°C, y después, una vez enfriado, se tritura hasta obtener un polvo muy fino, sin desmenuzar los granos. El polvo obtenido se vierte en un tubo de vidrio de diámetro ø 25 mm, de longitud 1,5 - 2,5 m, abierto por ambos extremos, cuyo extremo inferior se cierra previamente con algodón de vidrio o con un trozo de tela. En el extremo superior abierto vertemos el polvo secado hasta una altura de unos 10 cm, luego levantamos el tubo y lo dejamos caer con un golpe sobre un suelo de madera u otro apoyo elástico, hasta que se observe el asiento del polvo en el tubo. El control del asiento del polvo se realiza marcando líneas con tiza grasa sobre el tubo. Después vertemos otros 10 cm de polvo y repetimos el mismo procedimiento hasta llenar el tubo con el polvo seco compactado de la muestra de suelo, cuya capilaridad estamos ensayando. Luego sumergimos el fondo del tubo en un recipiente de vidrio con agua destilada en reposo, de modo que el extremo inferior del tubo no debe apoyarse en el fondo del recipiente (fig. 4). Fijamos el tubo de vidrio con una tablilla a la escala, de manera que tanto el tubo como la escala queden verticales. Después observamos la ascensión del agua en el tubo, que se reconoce claramente por el color: la muestra seca es clara, la húmeda oscura. La distancia entre el nivel del agua en el recipiente y el borde superior de la muestra húmeda representa la altura de la ascensión capilar hk.
Fig. 4. Determinación de la altura del ascenso capilar del agua mediante medición directa
La observación se realiza por regla general después de 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 etc. horas. Los resultados de la observación se representan en un diagrama, cuyas abscisas representan el tiempo en horas y cuyas ordenadas la altura de ascenso capilar del agua en mm (fig. 5).
En el material arenoso, el ascenso capilar al principio es brusco, luego más lento y la altura final de ascenso se alcanza rápidamente. En el material arcilloso, el ascenso capilar al principio es más lento, pero dura más y alcanza una altura considerablemente mayor.
Este método de determinación de la altura capilar es prolongado, especialmente en suelos arcillosos. Además, la altura de ascenso capilar depende de la temperatura del aire así como de su humedad, por lo que es necesario mantener estos factores lo más constantes posible.
Fig. 5. Diagrama de ascenso capilar del agua en el suelo, a-arena; b-polvo; c-suelo arcilloso
Ensayo de determinación de la altura capilar mediante un capilarímetro
Existen varios capilámetros de distintas construcciones, como los capilámetros de Beskow, Jürgenson y Engelhardt. Aquí describiremos el principio de funcionamiento del capilámetro de Beskow, que es el más utilizado.
Este ensayo se realiza sobre muestras inalteradas o alteradas. Si la muestra está alterada, entonces se introduce en el aparato en estado límite de fluidez.
Fig. 6. Capilarímetro de Beskow
El capilarímetro de Beskowa consta de dos recipientes (fig. 6), unidos en sus partes inferiores entre sí mediante una manguera de goma reforzada. En el recipiente 1 se coloca la muestra de suelo sobre un fondo filtrante, mientras que debajo de él hay un recipiente parcialmente lleno de agua destilada y parcialmente de mercurio, que en la parte inferior está de modo que llena también toda la manguera de goma y la parte inferior del recipiente 2. Al comienzo del ensayo, el nivel de mercurio en ambos recipientes es el mismo. Luego el recipiente 2 se baja hacia abajo, con lo cual se crea debajo del fondo filtrante del recipiente 1 una depresión. Cuando esta depresión se hace mayor que las fuerzas capilares en la muestra, el aire penetra a través de la muestra hasta el fondo filtrante y el nivel de mercurio en ambos recipientes se iguala inmediatamente después por el descenso del recipiente 2. La diferencia Hg entre los niveles de mercurio en uno y otro recipiente en el momento de igualación de la depresión y las fuerzas capilares, es decir, justo antes de que el aire comenzara a penetrar a través de la muestra, recalculada a la altura de una columna de agua y aumentada por la altura de la columna de agua h bajo la muestra, da la altura capilar hk. Como el mercurio es 13,6 veces más pesado que el agua, la altura de ascenso capilar hk es:
hk = 13,6 Hg + h
Determinación de la permeabilidad del suelo
El ensayo de laboratorio para determinar la permeabilidad del suelo se realiza mediante aparatos especiales llamados permeámetros. Existen diferentes diseños de permeámetros, que sin embargo pueden dividirse en dos grupos: permeámetros de presión de agua constante, para suelos de grano grueso, y permeámetros de presión de agua decreciente para suelos de grano fino. En ambos casos el ensayo se realiza con muestras inalteradas.
Mediante un ensayo de laboratorio se determina el coeficiente de permeabilidad del suelo, cuyo valor se expresa a una determinada temperatura, debido a la distinta viscosidad del agua a diferentes temperaturas, lo que influye en el valor del coeficiente de permeabilidad k. Habitualmente se expresa el coeficiente k a la temperatura t =10°C. Por consiguiente, si 10°C, la temperatura del agua al determinar el coeficiente k era T diferente de t = 10°C, entonces su valor se calcula mediante la fórmula:
k10oC = ηt /η10oC * kT
donde ηt y η10oC son la viscosidad del agua a la temperatura de trabajo T, es decir, a la temperatura adoptada t =10°C.
kT valor obtenido del coeficiente de permeabilidad del suelo a la temperatura de trabajo T.
Los valores de viscosidad para distintas temperaturas T se dan en la tabla 1.
Ensayo con presión de agua constante
Fig. 7. Permeámetro con presión constante del agua
Para este ensayo se toma una muestra inalterada de suelo en un cilindro metálico de diámetro D, altura h, con el borde inferior afilado, introduciéndolo en el suelo o en una muestra inalterada mayor. Después de nivelar las superficies superior e inferior de la muestra con los bordes del cilindro, la muestra en el cilindro se coloca en el aparato (fig. 7) entre el filtro superior y el inferior. El filtro inferior consta de una malla fina y una piedra filtrante, para permitir el paso del agua a través de la muestra y evitar el arrastre de partículas del suelo. El filtro superior no lleva malla, ya que existe una menor posibilidad de arrastre de partículas. La entrada de agua a la muestra se realiza desde el nivel N, que se mantiene constante mediante un rebosadero, de modo que la presión hidrostática H sea constante. Bajo esta presión, el agua pasa a través de la muestra de espesor h y, mediante un tubo conectado en la parte superior del aparato, llega al recipiente de vidrio M, donde gotea.
En cuanto el agua empieza a fluir a través de la muestra hacia la probeta, ponemos en marcha el cronómetro y observamos la cantidad de agua q que llega a la probeta durante el tiempo t. Según la ley de Darcy es
q = k*A*t*i
donde k es el coeficiente de permeabilidad en cm/sec, A la superficie de la sección de la muestra, i la carga hidráulica, i = H/h.
De la ecuación anterior tenemos k= qh/Ath [cm/sec].
La cantidad de agua que pasa a través de la muestra se lee en distintos intervalos de tiempo desde el comienzo hasta el final de la observación, de modo que disponemos tanto de cantidades parciales como de la cantidad total de agua que ha atravesado la muestra.
Para excluir las burbujas de aire en la muestra y en el agua, que pueden dar lugar a resultados erróneos del ensayo, es necesario que antes del ensayo la muestra esté en estado saturado, así como que para la realización del ensayo se utilice agua hervida o, al menos, reposada.
En lugar del aparato descrito anteriormente, basado en la presión hidrostática debida a la diferencia de nivel del agua H, existen también aparatos en los que la presión hidrostática se produce mediante una presión de aire de 10 a 15 kp/cm2, mantenida constante por medio de un compresor.