Unefm Tecnología Ingeniería Civil - Mecánica de Suelos

1. CAPITULO 2. PROPIEDADES ÍNDICE DE LOS SUELOS
INTRODUCCIÓN
Desde siempre, el estudio de la naturaleza del suelo, e incluso de los materiales térreos ha
sido un reto de una complejidad considerable. A los inicios de la ingeniería de suelos, o
ingeniería geotécnica, los criterios para la selección de los parámetros o variables a
considerar durante el diseño de fundaciones, presas, estabilizar taludes, construir carreteras y
cualquier similar eran basados casi exclusivamente en la experiencia del estudioso del suelo.
Sin embargo, esto pudo causar en su momento una des uniformidad en los criterios, así como
dificultad en la justificación y discusión de alternativas de solución a los problemas que se
estuvieran estudiando. Para mitigar esto, se comenzó el uso de propiedades que fuesen
sencillas de medir, o identificar, y con una clara correlación con el comportamiento esperado
de las obras. Estas propiedades nos indicaban principalmente dos cosas: (1) el tipo de suelo, y
(2) el estado relativo del suelo. En este capítulo se discuten estas propiedades índice y su
utilidad.
GRANULOMETRÍA
En cualquier masa de suelo, los tamaños de los granos varían considerablemente. La
distribución granulométrica de suelos de grano grueso es generalmente determinada
mediante análisis granulométricos por tamizado. Para suelos de grano fino, la distribución

2. granulométrica puede obtenerse por medio de análisis granulométrico con el hidrómetro. A
continuación se presentan las características básicas de esos análisis. Para descripciones
detalladas, consultar cualquier manual de laboratorio de mecánica de suelos (por ejemplo,
Das, 1997).
Análisis granulométrico por tamizado
Al igual que la forma, la distribución de los granos por tamaños sólo tiene importancia en el
caso de los suelos gruesos. Para determinar esta distribución de tamaños de las partículas
solidas del suelo e utiliza un juego de mallas o tamices a base de filamentos de acero
inoxidable, identificadas ya sea por el tamaño de la abertura en pulgadas o por el número de
hilos o filamentos por pulgada cuadrada como se indica en la siguiente tabla:
Tabla 1.3 Juego de mallas para la prueba granulométrica, especificaciones ASTM
Tamiz 3” 2” 1” ¾” ½” 3/8” #4 #10 #20 #40 #60 #100 #200
(mm) 76.2 50.8 25.4 19.1 12.7 9.52 4.76 2.00 0.84 0.42 0.25 0.149 0.075
Los granos de un material se identifican por su “nombre” de acuerdo con su tamaño. En la
siguiente tabla se dan los nombres de los granos gruesos y sus rangos de variación en
tamaños:
Tabla 1.4 Nombre de los granos según su tamaño
Nombre del grano Propiedad Rango de tamaños (mm)
Fragmento de roca No aplica Mayor a 76
Grava
Gruesa De 30.0 a 76.0
Media De 19.0 a 30.0
Fina De 4.76 a 19.0
Arena
Gruesa De 2.00 a 4.76
Media De 0.42 a 2.00
Fina De 0.074 a 0.42
Para poder separar los diferentes tamaños de los granos las mallas deben estar ordenadas de
mayor a menor abertura y limpias de impurezas que se pudieran haber incrustado en pruebas
anteriores; el material debe manejarse con cuidado para no perder finos antes del pesado.
Los fragmentos muy grandes deben limpiarse con una brocha gruesa y colocarse uno por uno
para evitar que el equipo se dañe, la arena y finos resultado de esta acción deben regresarse a
la muestra; el resto del material debe hacerse pasar por agitado evitando que los granos pasen

3. forzados por las mallas. El material retenido en cada malla se pesa seco, Ws, y se registra en el
formato correspondiente. Se calculan los porcentajes retenidos parciales (para cada tamiz),
Prp, retenidos acumulados, Pra, y los porcentajes acumulados, Pa, usando las siguientes
ecuaciones:
Siendo:
n Número total de mallas
m Número de mallas empleadas hasta ese momento
Una vez obtenidos los porcentajes acumulados, éstos se grafican contra el “diámetro” del
grano correspondiente en escala semi-logarítmica (Fig. 1.6). Esta gráfica es conocida como
“curva de distribución granulométrica”, y es una curva estadística acumulativa representativa
de la distribución de los granos dentro de la muestra por tamaños.
Un vistazo rápido a esta curva de distribución granulométrica permite al ingeniero
geotecnista saber con qué material está tratando. Primeramente se observa si se trata con un
suelo grueso o un fino, y si es un suelo grueso quienes predominan, las gravas o las arenas.
La forma de la curva también es un indicativo del suelo; una línea casi horizontal indica un
suelo con tamaños variados, el caso contrario señala un suelo con predominancia de un
tamaño. Para un cálculo más preciso se definen dos coeficientes, que combinados permiten
saber si se trata de un suelo bien o mal gradado, estos son el coeficiente de uniformidad, Cu, y
el coeficiente de curvatura, Cc, dados por:

4. Siendo Di el diámetro del grano correspondiente al porcentaje “i” de la curva granulométrica
(por ejemplo, D60 es el diámetro en el cual el 60% del material es pasante).
Fig. 1.6 Distribución de tamaños de partículas (ASTM D422*)
Para la curva granulométrica mostrada en la figura 1.6, D10=0.075, D30=2.5 y D60=15. Los
valores de Cu y Cc, son:
Para que la parte gruesa de un suelo sea bien graduada se requiere, en el caso de arenas, que
el Cu sea mayor de 6, y que Cc esté comprendido entre los valores de 1 y 3; en el caso de
gravas Cu>4 y Cc entre 1 y 3. Más adelante se tratara con un poco de más detalle esta
clasificación.
Análisis granulométrico con el hidrómetro
El análisis granulométrico con el hidrómetro se basa en el principio de la sedimentación de las
partículas de suelo en agua. Para esta prueba se usan 50 gramos de suelo seco, pulverizado.
Un agente defloculante se agrega siempre al suelo. El defloculante mas usado para el análisis

5. granulométrico con el hidrómetro es 125cc de solución al 4% de hexametafosfato de sodio. Se
deja que el suelo se sature por lo menos 16 horas en el defloculante. Después de ese periodo
de saturación se agrega agua destilada y la mezcla suelo-agente defloculante es agitada
vigorosamente. La muestra se transfiere a una probeta de 1000 ml. Se agrega más agua
destilada a la probeta hasta la marca de 1000 ml y luego la mezcla es agitada vigorosamente.
Un hidrómetro se coloca dentro de la probeta para medir – generalmente durante un periodo
de 24 horas - la densidad de sólidos de la suspensión suelo-agua en la vecindad del bulbo.
Fig. 1.7. Análisis granulométrico con el hidrómetro
Los hidrómetros están calibrados para mostrar la cantidad de suelo que esta aun en
suspensión en cualquier tiempo dado t. El diámetro máximo de partículas de suelo aun en
suspensión en el tiempo t se determina mediante la ley de Stokes:
Donde:
D diámetro de la partícula de suelo.
Gs peso especifico de los sólidos del suelo.
 viscosidad del agua
w peso especifico del agua
L longitud efectiva (es decir, longitud medida de la superficie del agua en la

6. probeta al centro de gravedad del hidrómetro, véase la fig. 1.7)
t Tiempo
Las partículas de suelo con diámetros mayores que los calculados con la ecuación de la ley de
Stokes se habrán asentado más allá de la zona de medición. Con las lecturas tomadas en
tiempos diferentes en el hidrómetro, puede estimarse el porcentaje de suelo más fino
(pasante) que un diámetro dado D, y prepararse una grafica de la distribución granulométrica.
Los procedimientos de tamizado e hidrométrico pueden combinarse para un suelo que tenga
granos finos y gruesos.
Limites del tamaño para los suelos
Varias organizaciones han intentado establecer los límites para los tamaños de gravas, arenas,
limos y arcillas en base a los tamaños de las partículas de los suelos. La tabla 1.5 presenta los
limites de tamaño recomendado en el sistema de la America Association of State Highway and
Transportation Officials (AASHTO) y en el sistema Unified Soil Classification (Corps of
Engineers, Department of the Army y Bureau of Reclamation).
La tabla 1.5 muestra que las partículas de suelo más pequeñas que 0.002mm son clasificados
como arcilla. Sin embargo, las arcillas por naturaleza son cohesivas y pueden convertirse en
un filamento cuando están húmedas. Esta propiedad es causada por la presencia de minerales
de arcilla, tales como la caolinita, la ilita y la montmorilonita. En contraste, algunos minerales
como el cuarzo y el feldespato pueden estar presentes en un suelo en partículas de tamaño tan
pequeño como los minerales de arcilla, peso esas no tienen la propiedad de cohesión de los
minerales arcillosos. Por lo tanto, se denominan partículas de tamaño arcilla y no partículas
arcillosas.
Tabla 1.5. Limites de tamaño de suelos separados
Sistema de clasificación Tamaño del grano
Unificado
Grava: 75 mm a 4.75 mm
Arena: 4.75 mm a 0.075 mm
Limo y arcillas (finos): < 0.075 mm
AASHTO
Grava: 75mm a 2 mm
Arena: 2 mm a 0.05 mm
Limo: 0.05 mm a 0.002 mm
Arcilla: < 0.002 mm

7. PLASTICIDAD
Existen tres estados principales de la materia: el sólido, el líquido y el gaseoso. El estado
sólido se identifica por su dureza, mientras que el estado líquido y el gaseoso se reconocen
porque son estados fluidos. Sin embargo, existe un cuarto estado conocido como estado
plástico, caracterizado porque a la materia se le puede dar la forma que uno quiera, esto es
puede ser moldeada; esta es la consistencia que adquiere la masa para hacer pasteles cuando
el panadero la trabaja. El estado plástico es definido mecánicamente como el punto en el cual
se le puede aplicar una carga a un cuerpo, produciendo su deformación pero sin causar rebote
elástico ni resquebrajamiento.
En los suelos para lograr ese estado es necesario hacer un “remoldeo” del suelo con espátulas
y agregarle o quitarle agua hasta lograr la consistencia plástica; de hecho existe un rango de
humedades para las cuales el suelo se comporta plásticamente. Incluso se puede hablar de
estado intermedios de la materia tales como el semisólido o el semilíquido dependiendo del
contenido de agua del suelo remoldeado. La determinación de estos rango puede lograrse
identificando las fronteras entre estos estados, esto se logra en laboratorio con el ensayo de
límites de consistencia, o limites de Atterberg.
Limites de Atterberg
Este ensayo fue planteado inicialmente por el científico sueco Albert Mauritz Atterberg.
(1846-1916), al cual debe su nombre, y luego fue modificado y normalizado por Arthur
Casagrande. El ensayo consiste en variar en decremento la humedad en una masa de suelo,
observando los cambios que ocurren en esta e identificar los indicadores que prueben que se
está en presencia de una frontera entre estados. Situación en la cual se mide la humedad
correspondiente.
Lo anterior descrito se explica esquemáticamente en la siguiente figura, para los distintos
estados de la materia:

8. Fig. 1.8 Estados de un suelo remoldeado haciendo variar su contenido de agua
Como se observa en la figura anterior las fronteras que definen el estado plástico son:
PL Límite Plástico, frontera inferior entre el estado plástico y el semisólido.
LL Límite Líquido, frontera superior entre el estado plástico y el semilíquido.
La tercera frontera que se observa en el esquema se le conoce como “límite de contracción”
(SL), se encuentra entre los estados semisólido y sólido, y se le define como el contenido de
agua para el cual la muestra remoldeada deja de contraerse al irse secando y a partir de este
momento su volumen se hace constante. Para la determinación de límite líquido actualmente
hay dos técnicas: la Copa de Casagrande y el Método del Cono; siendo la primera es la más
antigua y mas recurrida actualmente. A continuación se describen los procedimientos.
Determinación del Límite liquido usando la copa de Casagrande
La Copa de Casagrande consta de un recipiente de bronce semiesférico (fig. 1.9), con radio
interior de 54 mm, espesor de 2 mm y peso de 200±20 g incluido un tacón adosado. En la copa
se colocará el material a ensayar y posteriormente se le hará una ranura a todo lo largo del
meridiano que pasa por el centro del tacón. La ranura es de forma trapecial y se logra
utilizando un acanalador de dimensiones estándares: 2 mm de base, 11 mm de corona y 8 mm
de altura, manteniéndolo siempre normal a la copa semiesférica. Mediante una manivela que

9. eleva la copa a una altura de 1.0 cm, el recipiente golpea la base del equipo, varias veces a un
ritmo de 2 golpes por segundo. A medida que se van dando los golpes la ranura se va
cerrando; el Límite Líquido se define como el contenido de agua para el que la ranura se cierra
a lo largo de ½” (1.27 cm) con 25 golpes dados a la copa.
Fig. 1.9 Esquema de la copa de Casagrande.
En la figura: Arriba: Detalles de la copa de Casagrande.
Abajo: Curva de fluidez.
Para logran encontrar esta condición de cierre, el límite líquido se determina con dos
contenidos de agua de la muestra con número de golpes entre 6 y 25 y dos contenidos de agua
entre 25 y 35 golpes. Con estos datos se traza la curva de humedad vs número de golpes en
escala semilogarítmica llamada curva de fluidez, la cual en esa escala tiende a ser una línea
recta (Fig. 1.9). A partir de los datos en la curva de fluidez se puede hacer la regresión lineal
correspondiente para los 4 puntos obtenidos de la prueba. El límite líquido es la ordenada
donde a la curva de fluidez le corresponde una abscisa de 25 golpes.
Determinación del Límite liquido usando el Método del Cono

10. El procedimiento de ensayo usando el método del cono es similar al realizado con la copa de
Casagrande. Lo que se busca es determinar la humedad para lograr una penetración de 20mm
con un cono estandarizado en un tiempo de 5 segundos.
El cono a utilizar durante el ensayo debe tener un peso de 80g, con un ángulo de 30º y una
longitud aproximada de 35 mm. Adicional contarse con un dial de 1.50mm, como se muestra
en la Fig. 1.10. El equipo debe apoyarse sobre un nivel firme, nivelado, y debe asegurarse que
el cono puede caer libremente cuando es empujada la rampa de liberación, y el eje deslizante
estar limpio y seco.
Fig. 1.10 Detalles del cono de penetración
Las penetraciones deben ser registradas 5 segundos luego de la liberación del cono, y sobre la
misma muestra realizar una segunda penetración luego de registrada la primera. Si ambas
penetraciones registradas defieren en menos de 0.5mm, se toma como valor de penetración el
promedio de ambas y se determina la humedad correspondiente a esa medición. Si la segunda
penetración difiere entre 0.5mm y 1mm se lleva a cabo una tercera medición, el valor
promedio de estas 3 mediciones es tomada como la penetración correspondiente a la
humedad en estudio. Si la desviación entre las dos primeras mediciones son superior a 1mm
el suelo es retirado del recipiente, remezclado y se repite el ensayo con la misma pasta de
suelo.

11. Fig. 1.11 Fotografías del ensayo de penetración con cono
En la figura: Izquierda: colocación de muestra en recipiente
Derecha: Muestra durante penetración.
El procedimiento de registro de penetraciones es repetido a diferentes contenidos de agua
por lo menos 5 o 6 veces. Con los datos registrados pueden calculase el límite líquido, así
como también el límite plástico de los suelos usando los métodos descritos a continuación:
(1) Determinación de límite liquido a partir de 4 puntos de penetración
El limite liquido puede determinarse usando un grafico humedad vs penetración, en mm,
estableciendo la línea de tendencia correspondiente a la data de los registros. Se corta la línea
de tendencia con 20mm de penetración y se lee la humedad correspondiente a esta. Este
procedimiento es análogo al análisis del grafico de fluidez descrito en el método de
Casagrande.
(2) Determinación de límite liquido a partir de un punto de penetración.
Cuando no se dispone de una cantidad de suelo suficiente para realizar 4 puntos o más, como
los que son requeridos para el método anterior, o no es necesaria una alta precisión en los
resultados puede optarse por utilizar el método de un punto de penetración. Este método
consiste en corregir la humedad obtenida en una penetración arbitraria de forma de lograr
aproximar el límite líquido de una manera analítica. Para ello se utiliza la siguiente expresión:

12. Donde,
LL Límite liquido
 Humedad a una penetración arbitraria
FC Factor de corrección, obtenido de la tabla 1.6.
Tabla 1.6. Factores de corrección para ensayo de límite líquido utilizando el método de un punto de
penetración (Clayton y Jukes, 1978)
Penetración (mm)  35% <  
15 1.057 1.094 1.098
16 1.052 1.076 1.075
17 1.042 1.058 1.055
18 1.030 1.039 1.036
19 1.015 1.020 1.018
20 1.000 1.000 1.000
21 0.984 0.984 0.984
22 0.971 0.968 0.967
23 0.961 0.954 0.949
24 0.955 0.943 0.929
25 0.954 0.934 0.909
Determinación del Límite plástico
Para la determinación del límite plástico se rola entre la palma de una mano y los dedos de la
otra un fragmento de suelo hasta convertirlo en un cilindro. El límite plástico se alcanza por
este procedimiento cuando el material se desmorona y se agrieta justamente en el momento
en el que cilindro de suelo alcanza un diámetro de 1/8” (3.2 mm).
Es necesario aclarar que la obtención de los límites de consistencia debe hacerse con material
que pasa el tamiz No. 40, por lo que la arena fina se toma en cuenta en la plasticidad del
material, no sólo los finos.
La tabla 1.6 presenta algunos valores representativos de los límites líquidos y plásticos para
varios minerales y suelos arcillosos. Sin embargo, los límites de Atterberg para varios suelos
variaran considerablemente, dependiendo del origen del suelo y de la naturaleza y cantidad
de minerales arcillosos.
Fig. 1.10 Determinación del límite plástico

13. Tabla 1.6 Valores típicos de límites líquido y plástico para algunos minerales y suelos arcillosos.
Descripción Limite liquido Limite plástico
Caolinita 35 – 100 25 – 35
Ilita 50 – 100 30 – 60
Montmorillonita 100 – 800 50 – 100
Arcilla azul Boston 40 20
Arcilla Chicago 60 20
Arcilla Louisiana 75 25
Arcilla Londres 66 27
Arcilla Cambridge 39 21
Arcilla Montana 52 18
Lodo Mississippi 95 32
Suelos loesianos del norte y noeste de China 25-35 15-20
Determinación de los límites de consistencia a partir del penetrometro de cono
Como se explico anteriormente, el método de penetración de cono es una alternativa para la
determinación del límite líquido de los suelos. El método de penetración tiene la ventaja ante
los métodos tradicionales en que este es poco susceptible a la pericia del operador, mitigando
posibles errores recurrentes en los laboratorios y aumentando la confiabilidad de los
resultados por complemento.
Considerando esta premisa, y a partir del trabajo de grado “Estudio comparativo de los limites
de consistencia determinados a través de métodos tradicionales y el penetrometro de cono”

14. realizado en la Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda por Flores y Navarro
(2012), se logro identificar la tendencia de las penetraciones correspondientes a distintos
tipos de suelos, llegando a la conclusión que el limite liquido corresponde a una penetración
de 5mm.
Con los datos de los límites líquido y plástico se calcula la diferencia entre ellos, conocido
como Índice de Plasticidad (Ip). La plasticidad de la fracción de suelo ensayada puede
determinarse a partir de la Carta de Plasticidad de la siguiente figura.
Fig. 1.11 Carta de Plasticidad
En la figura anterior, para la fracción probada de suelo, los símbolos de la carta indican su
tipo: limosa (M = mo , palabra sueca), arcillosa (C = clay, palabra inglesa) u orgánica (O) y su
“posible compresibilidad” (si es que el suelo se encuentra en la naturaleza bajo cierto estado
de humedad) que se reconoce con las letras L (Low) y H (High) y que es una “característica”
del material.
REFERENCIAS
Flores, J. Navarro, V (2012) “Estudio comparativo de los limites de consistencia
determinados a través de métodos tradicionales y el penetrometro de cono”. Trabajo

15. especial de grado. Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda. Coro,
Venezuela.
Juárez, E. y Rodríguez, R. (1974) “Mecánica de Suelos”. Tomo I: Conceptos
Fundamentales de la mecánica de suelos. Ed. LIMUSA.
Lambe, W. y Whitman, R. (1998) “Mecánica de Suelos” Ed. LIMUSA.
Zea C. y Rivero R. (2004) “Notas sobre los fundamentos de la mecánica de suelos”.
Ed. Universidad Nacional Autónoma de México