TTE154

Universidad Católica de Temuco Facultad de Ingeniería

Ingeniería Civil en Obras Civiles

EVALUACIÓN DEL MÉTODO DE CASAGRANDE Y PENETRÓMETRO DE CONO DE CAÍDA PARA LÍMITE LÍQUIDO Y LÍMITE PLÁSTICO EN SUELOS VOLCÁNICOS NO ALOFÁNICOS DE HORNOPIRÉN

Memoria para optar al título de:

INGENIERO CIVIL EN OBRAS CIVILES

Profesores guía:

SRA. CAROLINA REIDEL ALMARZA

SR. RODRIGO OSSES PEÑA

DIEGO EDUARDO ROA VEGA Temuco – 2022

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE TEMUCO FACULTAD DE INGENIERÍA – COMISIÓN EVALUADORA DE TESIS

Profesora Guía: ________________________________________________ Sra. Carolina Reidel Almarza M.Sc (c), Ing. Civil en Obras Civiles Departamento de Obras Civiles y Geología, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco Profesor Co-Guía: _______________________________________________ Sr. Rodrigo Osses Peña Dr. (c), Ing. Civil, Ing. Constructor Departamento de Ingeniería de Obras Civiles, Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad de La Frontera Profesor Informante: _____________________________________________ Sr. Roberto Torres Hoyer M. Sc. Ing. Geólogo Departamento de Obras Civiles y Geología Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco Profesor Informante: _____________________________________________ Sr. Jesús Torres Hoyer M. Sc. Ing. Geólogo Departamento de Obras Civiles y Geología Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco

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Agradecimientos En el fin de esta etapa especial quiero agradecer, primero, a mi familia, por ser el pilar que me sostiene, por su apoyo incondicional y por siempre guiarme en el camino que he recorrido.

A la Profesora Carolina Reidel y al Profesor Rodrigo Osses, por darme la oportunidad y confiar en mí para el desarrollo de este proyecto.

A mis amigos, muchos de los cuales conocí en estos años en los que me acompañaron y llenaron de momentos felices, y que también estuvieron, a veces ellos sin saberlo, en los momentos difíciles.

Finalmente agradecer a mis profesores, quienes dejaron huella enseñándome a ampliar mis capacidades y a superarme constantemente.

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Resumen Los límites de Atterberg son unos de los parámetros más utilizados de las propiedades de los suelos, y es uno de los ensayos más antiguos realizados en el área investigativa de la Geotecnia. En este trabajo, se describen los procedimientos de dos métodos de determinación de límite líquido -cuchara de Casagrande y el método de penetrómetro de cono de caída- más un método para límite plástico, aplicados en suelos volcánicos no alofánicos de Hornopirén (Región de Los Lagos, Chile) para evaluar el impacto del operador en la obtención del límite líquido e índice de plasticidad. Se presentan los resultados para un suelo de baja plasticidad, en el que el método de cono muestra valores más altos de límite líquido, y menores rangos de diferencia de humedad que el método de cuchara de Casagrande. Además, se discute la calidad de resultados de límite plástico para suelos con bajo contenido de arcilla. Por último, se sugiere la posibilidad de modificar la carta de plasticidad desarrollada por Casagrande, a partir de investigación adicional en suelos de Chile, para el uso del método del cono en la determinación de los límites de Atterberg.

Palabras clave: Límites de Atterberg, cuchara de Casagrande, penetrómetro de cono de caída, clasificación de suelos.

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Abstract Atterberg limits are one of the soils’ most widely used properties, and is one of the oldest tests conducted in the geotechnical research area. In this project, the procedures of two liquid limit determination methods -the Casagrande cup method and fall-cone method- plus a plastic limit method were carried out in non-allophanic volcanic soils of Hornopirén (Los Lagos Region, Chile) to evaluate the operator influence obtaining the liquid limit and plasticity index. The results of a low plasticity soil are presented, in which the fall-cone method show higher liquid limit values, and lower water content difference ranges than Casagrande cup method. Furthermore, the plastic limit results are discussed for soils with low clay content. Finally, the possibility of modifying the plasticity chart developed by Casagrande is suggested, from further research in Chile’s soils, for the use of fall-cone method in the determination of Atterberg limits.

Keywords: Atterberg limits, Casagrande cup, fall-cone, soil classification.

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ÍNDICE 1.1 Introdución ................................................................................................ 1 1.2 Planteamiento del problema ..................................................................... 2 1.3 Justificación .............................................................................................. 3 1.4 Alcances y limitaciones ............................................................................. 3 1.5 Objetivo general ........................................................................................ 4 1.6 Objetivos específicos ................................................................................ 4 2. HIPÓTESIS................................................................................................. 4 3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................... 4 3.1 Suelos ....................................................................................................... 4 3.2 Límites de Atterberg.................................................................................. 5 3.3.1 Propiedades granulométricas ................................................................ 6 3.3.2 Propiedades agregadas ......................................................................... 9 3.4 Descripción general de los métodos y normas ....................................... 10 3.4.1 Método de la cuchara de Casagrande.............................................. 10 3.4.2 Método de penetrómetro de cono de caída...................................... 12 3.4.3 Determinación del Límite Plástico .................................................... 15 3.5 Clasificación USCS de suelos para fines de ingeniería .......................... 16 3.6 Situación geográfica y caracterización de los suelos volcánicos de la zona de Hornopirén ............................................................................................... 19 4. ESTADO DEL ARTE................................................................................. 22 4.1 Comparaciones entre métodos a través del tiempo................................ 22 4.2 Aspectos operacionales que intervienen en los resultados .................... 25 4.2.1 Habilidad del operador ..................................................................... 25 4.2.2 Características del cono ................................................................... 25

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vii 4.2.3 Diferencias de métodos basados en el cono.................................... 26 4.2.4 Métodos de secado .......................................................................... 27 4.3 Influencia del mineral de arcilla y plasticidad en la similitud de los resultados ...................................................................................................................... 29 4.4 Correlación entre ambos métodos .......................................................... 30 5. METODOLOGÍA ....................................................................................... 33 5.1 Materiales ............................................................................................... 33 5.1.1 Suelos .............................................................................................. 33 5.1.2 Materiales de ensayo NCh1517/1.Of79............................................ 35 5.1.3 Materiales de ensayo AS 1289.3.9.1................................................ 36 5.1.4 Materiales de ensayo NCh1517/2 .................................................... 37 5.1.5 Materiales de análisis granulométrico NCh3236-2010 ..................... 38 5.2 Determinación de los límites de consistencia e índice plástico............... 39 5.2.1 Métodos de secado .......................................................................... 40 5.2.2 Preparación de la muestra ............................................................... 41 5.2.3 Determinación de la humedad del suelo .......................................... 42 5.2.4 Determinación de límite líquido mediante cuchara de Casagrande . 43 5.2.5 Determinación de límite líquido mediante penetrómetro de cono de caída ......................................................................................................... 45 5.2.6 Determinación de límite plástico....................................................... 48 5.2.7 Determinación de Índice plástico y clasificación según USCS ......... 49 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE DATOS .................................................. 49 6.1 Comportamiento de los suelos en ensayo .............................................. 54 6.2 Comparación entre las metodologías de Límite Líquido ......................... 57 6.3 Dispersión de los resultados obtenidos en ensayo ................................. 58

6.4 Clasificación............................................................................................ 60 6.4.1 Clasificación de fracción fina según Carta de Plasticidad ................ 60 6.4.2 Determinación de granulometría ...................................................... 62 7. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES ............................................ 63 8. REFERENCIAS ........................................................................................ 67 [ANEXO I] ..................................................................................................... 72 I.1 Límites de consistencia NCh1517/1.Of79 - NCh1517/2.Of79 .............. 72 I.2 Límite Líquido AS 1289.3.9.1:2015 ...................................................... 75 [ANEXO II] .................................................................................................... 78 II.1 Límite Líquido NCh1517/1.Of79 – Estado Natural .............................. 78 II.2 Límite Líquido NCh1517/1.Of79 – Secado al aire ............................... 83 II.3 Límite Líquido NCh1517/1.Of79 – Secado al horno ............................ 88 II.4 Límite Líquido AS 1289.3.9.1:2015 – Estado Natural.......................... 93 II.5 Límite Líquido AS 1289.3.9.1:2015 – Secado al aire .......................... 98 II.6 Límite Líquido AS 1289.3.9.1:2015 – Secado al horno ..................... 103 II.7 Límite Plástico NCh1517/2.Of79 – Estado Natural............................ 108 II.8 Límite Plástico NCh1517/2.Of79 – Secado al aire ............................ 110 II.9 Límite Plástico NCh1517/2.Of79 – Secado al horno ......................... 112 [ANEXO III] ................................................................................................. 114 III.1 Análisis granulométrico por tamizado – Valle de Río Blanco ........... 114 III.2 Análisis granulométrico por hidrometría – Valle de Río Blanco........ 115 III.3 Curva granulométrica – Valle de Río Blanco.................................... 117

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Índice de Ilustraciones Figura 1: Variación de la consistencia con respecto al contenido de humedad. ........................................................................................................................ 5 Figura 2: Aparato de Casagrande................................................................. 11 Figura 3: Acanalador ASTM. Combina ranurador y calibrador. .................... 11 Figura 4: Cono de 60°/60 g (izquierda) y cono de 30°/80 g (derecha).......... 13 Figura 5: Penetrómetro digital para determinación de Límite Líquido........... 14 Figura 6: Cuadro de criterio de asignación de grupos y símbolos para la clasificación de suelos. ................................................................................. 17 Figura 7: Carta de plasticidad. ASTM D 2487............................................... 18 Figura 8: Izquierda: Volcanes presentes en el segmento sur de la zona volcánica sur de los Andes. Derecha: Mapa que muestra la Península de Hualaihué y la ubicación de sus volcanes, así como la ruta que une los poblados de la comuna. ................................................................................ 20 Figura 9: Resultados de ensayos de penetrómetro de cono para arcillas de Formación Gault (Cambridge)....................................................................... 24 Figura 10: Límite Líquido para conos de 60°/60 g y 30°/80 g - Un resultado por operador por suelo. ....................................................................................... 27 Figura 11: Valores promedio de los límites de consistencia de los suelos ensayados por Basma et al. (1994) siguiendo tres técnicas de secado. ...... 29 Figura 12: Porcentaje de arcilla (C) versus LLp/LLc. .................................... 30 Figura 13: Comparación entre cono de caída y Casagrande para LL < 200 (A) y LL < 600 (B) para 40 trabajos previos. ....................................................... 31 Figura 14: Comparación de límite plástico para método de cono de caída extendido vs Casagrande. ............................................................................ 31 Figura 15: Relación general entre límite líquido para cono de caída (30°/80 g) vs límite líquido para método de la cuchara de Casagrande (base dura). .... 32 Figura 16: Situación geográfica del muestreo. Volcán Hornopirén en la parte superior y sector poblado en esq. inferior izquierda...................................... 33 Figura 17: Muestra Volcán Hornopirén. ........................................................ 34

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Figura 18: Muestra Valle Río Blanco. ........................................................... 34 Figura 19: Materiales de ensayo NCh1517/1.Of79 y NCh1517/2.Of79. ....... 35 Figura 20: Vástago que sostiene al cono, cono de 30°/80 g, taza de metal y base del aparato. .......................................................................................... 36 Figura 21: Materiales de ensayo AS.1289.3.9.1. .......................................... 37 Figura 22: Serie de tamices para análisis granulométrico de fracción gruesa del suelo. ...................................................................................................... 38 Figura 23: Hidrómetro sumergido dentro de la suspensión. ......................... 39 Figura 24: Porciones de muestra rotuladas y preparadas para ensayo........ 42 Figura 25: Ranura a lo largo de la muestra luego de aplicar el acanalador. . 44 Figura 26: Panel de comandos del penetrómetro de cono. .......................... 46 Figura 27: Penetración sobre la muestra en ensayo al liberar el cono. ........ 47 Figura 28: Resultados de determinación de límite líquido con Método de cuchara de Casagrande................................................................................ 51 Figura 29: Análisis de regresión de determinaciones de límite líquido con Método de cuchara de Casagrande.............................................................. 52 Figura 30: Resultados de determinación de límite líquido con Método de penetrómetro de cono de caída. ................................................................... 52 Figura 31: Análisis de regresión de determinaciones de límite líquido con Método de penetrómetro de cono de caída. ................................................. 53 Figura 32: Procedimiento de ensayo con la cuchara de Casagrande (izquierda), y con el cono de caída (derecha). .............................................. 55 Figura 33: Muestra de Valle de Río Blanco casi inmediatamente después de mezclar (izquierda), y luego del período de curado (derecha)...................... 56 Figura 34: Aspecto de muestra de suelo de Valle de Río Blanco para determinación de límite plástico mediante amasado. ................................... 57 Figura 35: Carta de Plasticidad para cada grupo de ensayo. ....................... 61

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Índice de tablas Tabla 1: Serie completa de tamices para análisis granulométrico (ASTM D 422)................................................................................................................. 8 Tabla 2: Estándares de ensayo de cono de caída de acuerdo a diferentes estándares internacionales. .......................................................................... 13 Tabla 3: Tabla resumen de resultados de determinación de límite líquido. .. 54 Tabla 4: Tabla resumen de resultados de determinación de límite plástico.. 54 Tabla 5: Tabla resumen de resultados de determinación de índice plástico. 54 Tabla 6: Resultados y diferencia de límite líquido entre métodos para cada grupo de ensayo. .......................................................................................... 58 Tabla 7: Rangos de diferencia de humedad (entre el mayor y menor resultado de límite líquido) para cada grupo de ensayo. .............................................. 58 Tabla 8: Desviación estándar para cada grupo de ensayo. .......................... 59 Tabla 9: Coeficientes de determinación (R2) para cada grupo de ensayo. .. 60 Tabla 10: Desviaciones estándar de componentes a de la ecuación de la recta de forma ax+b, para cada grupo de ensayo. ................................................ 60 Tabla 11: Clasificación de suelo según grupo de ensayo. ............................ 62 Tabla 12: Distribución de granulometría, en porcentaje, para la muestra de Valle de Río Blanco, bajo el tamiz N°10. ...................................................... 63 Tabla 13: Distribución de granulometría, en porcentaje, para la muestra de Valle de Río Blanco, bajo el tamiz N°40. ...................................................... 63

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1.1 Introdución El potencial uso de los suelos en proyectos de ingeniería se realiza a menudo en base a su clasificación. Los sistemas que existen en la actualidad son una respuesta de las necesidades que se tiene de determinar ciertos parámetros que se obtienen a través de métodos estandarizados. Algunas de estas propiedades de los suelos definen a los límites de Atterberg, donde el contenido de humedad en un material define el comportamiento que éste tendrá, definiendo así el límite líquido (contenido límite de agua con el cual el suelo se comporta como un fluido) y el límite plástico (contenido mínimo de agua con el cual el suelo puede ser deformado de forma plástica sin colapsar). En un estudio de caracterización de los suelos, el método clásico y más conocido con el que se obtienen los límites de Atterberg es el llamado método de Casagrande. Un método de percusión mediante la llamada cuchara de Casagrande, descrito en normas como ASTM D-4318. La alternativa comúnmente utilizada es el método de penetrómetro de cono de caída, midiendo la cantidad de agua (w L ) a través de la correlación con la resistencia a la penetración. En normas como la CEN ISO/TS 17892-12 europea, AS 1289.3.9.1 australiana y BS 1377-2 británica, opuestos a la norma norteamericana, se establece al penetrómetro de cono como el método principal, relegando al método de Casagrande a ser la alternativa menos eficaz. Específicamente, la norma británica justifica este orden aludiendo a efectos dinámicos y discrepancia entre resultados dependiendo de la experiencia y habilidad de los operarios, contra un fácil procedimiento que permite resultados más satisfactorios y reproducibles cuando se refiere al penetrómetro de cono. El método de Casagrande puede ser para algunos autores problemático, en el sentido de que se puede ver influenciado por el error humano, al ser muy dependiente de la acción del operario, un mal conteo del número de golpes, además de la dificultad de poder repetir los mismos resultados.

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Esta investigación hará una evaluación de los resultados de límite líquido para el método de la cuchara de Casagrande, método de penetrómetro de cono de caída, y límite plástico obtenidos en muestras de suelo natural de Hornopirén (Región de Los Lagos), de origen predominantemente volcánico y no alofánico, con miras a una eventual incorporación del método de penetrómetro de cono de caída en la norma chilena como una forma de modernización, en la que actualmente sólo se considera el método de Casagrande, presente en el Manual de Carreteras Volumen N° 8 de la Dirección de Vialidad, adaptado de la Norma NCh1517/1.Of79. 1.2 Planteamiento del problema En los últimos años se ha sugerido que las ventajas que ofrece el método de penetrómetro de cono de caída superan a las del método de Casagrande, hasta el día de hoy considerado como el más común. Se ha señalado el error humano como uno de los principales factores por el cual las normas internacionales han optado a través del tiempo en modernizar sus estándares, prefiriendo el cono de caída aludiendo a una mayor fiabilidad y simpleza (Wires, 1984). La literatura al respecto da cuenta de experimentos realizados principalmente a suelos de determinadas formaciones geológicas, las cuales poseen una gran cantidad de arcilla o en general poseen una plasticidad que varía de baja a mediana. Sin embargo, este tipo de información no es abundante si se trata de suelos volcánicos no alofánicos. Es necesario ensayar con suelos de origen volcánico de la zona de Hornopirén para la determinación de los límites de Atterberg con ambos métodos, y también la identificación de factores que tienen influencia en los resultados obtenidos, y cómo estos pueden variar con respecto a suelos de otras características presentes en la literatura.

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1.3 Justificación Una parte importante del terreno utilizable para actividades humanas en la zona centro-sur y austral de Chile se encuentra sobre suelos de origen volcánico. Se necesita profundizar acerca del ensayo sobre muestras de este tipo utilizando el método de penetrómetro de cono de caída, evaluando sus resultados junto con el método presente en la norma chilena actual. Se busca analizar el comportamiento observado del ensayo de las muestras de suelo procedentes de la zona de Hornopirén y determinar la influencia que ejercen diferentes factores en cada uno de los métodos en estudio. El estudio planteado, creará antecedentes que ayudarán a buscar el más adecuado y que se adapte a las necesidades del estudio de los suelos de la zona sur y austral de Chile. 1.4 Alcances y limitaciones Se busca evaluar los resultados de dos metodologías para la determinación de los límites de Atterberg, para dos suelos volcánicos no alofánicos de Hornopirén, utilizando estándares actualmente vigentes: de penetrómetro de cono de caída (AS 1289.3.9.1:2015) y de Cuchara de Casagrande (NCh1517/1.Of79). Se determinará el límite plástico mediante el procedimiento descrito en la norma chilena vigente NCh1517/2.Of79. Se utilizaron dos métodos de secado (al horno y al aire), más el ensayo sobre la muestra hidratada desde su humedad natural. Se analizaron estadísticamente parámetros de dispersión y determinación de los resultados en ambos métodos.

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1.5 Objetivo general Evaluar los métodos de Casagrande y de penetrómetro de cono de caída para resultados de límite líquido e índice plástico, determinando la influencia de factores que puedan afectar en sus resultados. 1.6 Objetivos específicos • Evaluar las metodologías de Casagrande y de penetrómetro de cono de caída para resultados de límite líquido, en muestras de suelo volcánico no alofánico de Hornopirén utilizando estándares vigentes. • Identificar la implicancia del operador en la metodología de Casagrande para la clasificación de determinadas muestras de suelo. 2. HIPÓTESIS El método de penetrómetro de cono de caída logra mitigar la acción del operador, a la vez que es evaluado junto al método de la cuchara de Casagrande para la obtención de los límites de Atterberg en muestras de suelo de Hornopirén (Región de Los Lagos). 3. MARCO TEÓRICO 3.1 Suelos El suelo es, junto al agua y la roca, uno de los mayores componentes de la zona más superficial de la tierra. Puede ser definido como sedimentos no consolidados o depósitos de partículas sólidas que son resultado de la desintegración de la roca. Es una combinación de minerales, material orgánico, gases, líquidos y organismos vivos. Los cambios sobre estos suelen ser procesos lentos, pero también pueden estar sujetos a factores que afectan en su comportamiento en un corto período de tiempo, como la actividad humana. El campo de estudio de los suelos es la geotecnia (McCarthy, 2007).

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Para la clasificación de los suelos, los sistemas existentes los ubican en diferentes categorías de acuerdo a los resultados numéricos obtenidos de su ensayo, o índices de propiedades de suelo. Estos pueden ser divididos en propiedades granulométricas o propiedades agregadas del suelo. Mientras estas últimas se enfocan en la formación, presión a lo largo de su historia geológica o estructura del suelo en su conjunto y su significancia en la ingeniería, las propiedades granulométricas como la forma y tamaño dependen de cada partícula de manera individual (Ranjan y Rao, 2007). 3.2 Límites de Atterberg En ingeniería, los Límites de Atterberg se utilizan con el fin de clasificar material de suelo cohesivo. El límite líquido (wL) y el límite plástico (wP) son los dos límites de consistencia que definen el rango de la cantidad de agua en la que un suelo presenta comportamiento plástico (Figura 1) (McBride, 2002).

Figura 1: Variación de la consistencia con respecto al contenido de humedad. (Facilitado por: Sr. Rodrigo Osses, académico U. de la Frontera).

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Atterberg definió cuatro estados de consistencia para suelos cohesivos: líquido, plástico, semi-sólido y sólido. El límite divisorio entre el estado líquido y plástico es el límite líquido (w L ); entre el plástico y semi-sólido es el límite plástico (w P ); y entre el semi-sólido y sólido el límite de contracción (w S ). Estos se expresan en términos de contenido de agua (Liu y Evett, 1992). Actualmente para usos de ingeniería, los límites de Atterberg suelen sólo referirse al límite líquido y límite plástico (ASTM D 4318). La diferencia entre límite líquido y límite plástico es el índice plástico (I P ), que se expresa: = − (3.2) Donde: = límite líquido; = límite plástico. Con el cual se expresa el rango de humedad bajo el cual el suelo se comporta plásticamente. Mediante procedimientos de ensayos en laboratorio estandarizados es posible determinar los límites de consistencia, el contenido de humedad en el cual el suelo se comporta de forma plástica sin colapsar (límite plástico) o comportarse como un fluido (límite líquido). 3.3.1 Propiedades granulométricas Granulometría y distribución de tamaño de las partículas La granulometría o distribución granulométrica es una propiedad importante en la clasificación de las partículas del suelo. Es el porcentaje de diferentes tamaños de partícula que componen cierta muestra seca de suelo. El suelo puede ser clasificado de acuerdo al diámetro de sus partículas. Una muestra de suelo puede estar compuesta de una mezcla de partículas con

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diferente tamaño, y se hace necesaria una nomenclatura que diferencie estos según el rango de tamaños (Modi, 2000). Según la norma ASTM D 422, estos pueden ser clasificados en suelos de grano grueso o fino, si estos pasan o no, respectivamente, el tamiz N°200 (75 µm). Estos también pueden ser separados en rangos como:

• Grava: 75 mm (3-in) a 4,75 mm (N°4). • Arena: 4,75 mm (N°4) a 75 µm (N°200). • Finos: Fracción del suelo que pasa por el tamiz N°200.

La fracción de finos y las arenas finas, que pasan por el tamiz N°40 (0,425 mm) son las de principal interés para la obtención de los límites de Atterberg, ya que estas son capaces de absorber agua y cambiar la composición de su estructura según los minerales presentes en esta. Además de la arena, los minerales presentes en el suelo pueden ser clasificados como limo (N°200 a 5 µm) o arcilla (>5 µm). El limo es la fracción fina no plástica o que presenta muy poca plasticidad, mientras que la arcilla es la que presenta una mayor plasticidad. La determinación de la distribución granulométrica de partículas gruesas es llevada a cabo mediante el análisis por tamices, mientras que los granos finos son analizados mediante el hidrómetro u otros tipos de métodos. En general, se suele llevar a cabo una combinación de los anteriores para llegar a conocer la distribución detallada del tamaño de las partículas que componen la muestra (Ranjan y Rao, 2007). Análisis granulométrico por tamizado Los tamices cuentan con aberturas cuadradas en medio de su entramado hecho de alambre. Estos se encuentran estandarizados para su uso en análisis de suelos y suelen variar en tamaño desde los 75 mm hasta 75 µm (0,075 mm). Estos son ordenados de manera descendente, y luego de

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introducir la muestra de suelo sobre el tamiz de mayor abertura y agitar, se registra la masa de suelo retenida en cada tamiz. Una serie completa de tamices está compuesta por los tamaños descritos en la Tabla 1.

Tabla 1: Serie completa de tamices para análisis granulométrico (ASTM D 422).

Número del tamiz Abertura (mm) 3-in 75 2-in 50 1 1/2-in 37,5 1 in 25 3/4-in 19 3/8-in 9,5 N°4 4,75 N°10 2 N°20 0,85 N°40 0,425 N°60 0,25 N°140 0,14 N°200 0,075

Análisis granulométrico por hidrómetro El análisis granulométrico por hidrómetro tiene como principio la sedimentación dada bajo la ley de Stokes, en la cual se obtendrá la granulometría ininterrumpida para partículas finas, que da la velocidad de sedimentación de partículas sólidas esféricas en un líquido, las cuales caen según su tamaño. De esta manera se puede conocer con la distribución porcentual de limos y arcillas de un suelo dentro de su fracción fina. Una muestra de suelo debe ser sumergida en agua junto a un agente dispersante durante al menos 16 horas, luego se utiliza un aparato agitador

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durante al menos un minuto para continuar dispersando la muestra, transfiriendo la muestra desde un vaso precipitado hasta una taza de dispersión, añadiendo agua desmineralizada si fuere necesario. Se introduce lentamente el hidrómetro sobre sobre la suspensión, anotándose las lecturas en diferentes intervalos de tiempo y tomándose la temperatura en cada una de estas para su posterior corrección. 3.3.2 Propiedades agregadas Plasticidad y consistencia La plasticidad de un suelo puede definirse como “la habilidad del material de someterse a una deformación permanente o plástica bajo presión sin agrietarse”. La fracción fina de un suelo se hace plástica cuando es aumentado su contenido de humedad, provocando una disminución de su esfuerzo de corte y estabilidad (Dhir et al., 2017). El proceso de clasificación de los suelos de acuerdo a su plasticidad y comportamiento es realizado de acuerdo a los Límites de Atterberg. Los límites nos brindan una medida de la tolerancia a la humedad de acuerdo al contenido de agua en el que un suelo cambia de líquido a plástico (límite líquido), y de plástico a semi-sólido (límite plástico). Humedad La humedad es el contenido de agua de un suelo en relación con la masa de sus partículas sólidas. Dependiendo de su movilidad, puede ser clasificada en agua libre, porque puede moverse libremente entre la masa del suelo por la acción de la gravedad, y agua ligada, que es contenida entre los poros del suelo por fuerzas internas y no puede es influenciada por la fuerza de gravedad. Las aguas ligadas están químicamente combinadas con las partículas del suelo, ya sea en su superficie, adheridas por acción atmosférica,

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o por capilaridad, y solo puede ser removida rompiendo la estructura (Modi, 2000). 3.4 Descripción general de los métodos y normas 3.4.1 Método de la cuchara de Casagrande Método de percusión desarrollado luego de la investigación sobre los límites de Atterberg llevada a cabo por Casagrande (1932). La base de los estándares que hoy en día describen esta metodología se encuentra en el procedimiento y la descripción del aparato utilizado por él mismo (Casagrande, 1958) y de las observaciones y correcciones que hizo a su propia investigación original. El método de cuchara de Casagrande es el más conocido y el que ha sido mayormente utilizado a lo largo del tiempo, siendo considerado como un ensayo clásico para la determinación de los límites de consistencia por su uso generalizado en agencias gubernamentales norteamericanas. Se encuentra actualmente presente en manuales y estándares internacionales, tal como el británico BS 1377-2 y la norma ASTM D-4318 en la cual se presentan los procedimientos y materiales definidos con mayor detalle. Es también en Chile el método establecido para determinar el límite líquido, presente en el Manual de Carreteras, Volumen N° 8, basado en la norma oficial NCh1517/1.Of79. Los aparatos que se utilizan exclusivamente en este método de ensayo consisten en: • Aparato de límite líquido o cuchara de Casagrande: compuesto de una cuchara o taza de bronce de 200 ± 20 g (Figura 2), montada en un dispositivo de apoyo fijado a una base de caucho duro de resiliencia tal que una bolita de acero de 8 mm de diámetro, dejada caer libremente desde una altura de 25 cm, rebote entre un 75% y 90%. En el estándar ASTM se indica en uno de sus anexos el procedimiento de uso de un dispositivo para medir la resiliencia de la base. Las patas del aparato están también hechas de caucho.

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Figura 2: Aparato de Casagrande.

• Acanalador: Herramienta con la cual se realiza la ranura en la muestra sobre la cuchara. El Manual de Carreteras y la norma NCh1517/1.Of79, así como el estándar BS requiere una herramienta que combine acanalador y calibrador para ajustar la altura de caída del aparato (Figura 3), sin embargo este último no es necesario en el estándar ASTM. • Calibrador: Se requiere de un bloque metálico de calibración para ajustar la altura de descenso de la cuchara, en el caso de utilizar un acanalador que no combine calibrador.

Figura 3: Acanalador ASTM. Combina ranurador y calibrador.

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Una muestra, de material bajo el tamiz N°40 (0,5 mm), debe ser secada al aire o en un horno luego de ser mezclada con agua destilada utilizando una espátula. Se coloca la muestra sobre la cuchara apoyada sobre la base, moldeándola con la espátula. Luego se utiliza el acanalador para dividir la mezcla en dos partes iguales, formando una ranura clara. Se hace girar la manivela del aparato, levantando y dejando caer la taza a una frecuencia de 2 ± 0,1 golpes por segundo, hasta que las dos mitades entren en contacto al fondo de la taza a lo largo de un tramo de 10 mm (Manual de Carreteras – 13 mm o ½ pulgada para estándares ASTM y BS). Se registra el número de golpes (N). Se repite este proceso desde su condición más húmeda hasta la más seca. Se determina el contenido de humedad, así como la masa inicial de cada una de las muestras. Se grafica la relación entre la humedad (w) y el número de golpes (N), dibujando los puntos correspondientes en un gráfico semilogarítmico. Se traza una recta que mejor se ajuste a todos los puntos de una misma muestra, expresando el w L como la intersección de la línea con la abscisa de 25 golpes. 3.4.2 Método de penetrómetro de cono de caída Sugerido por primera vez por la Comisión Geotécnica Sueca de Ferrocarriles Estatales entre 1914 y 1922, el procedimiento moderno con el cono de caída fue descrito en el mismo país por Hansbo (1957). Su investigación, llevada a cabo utilizando un cono de 60°/60 g, junto a la de Sherwood y Riley (1970), utilizando el cono del aparato del British Standards Institution (30°/80 g), ha llevado a estudios posteriores, así como en estándares de ensayos de suelos a la utilización de, mayoritariamente, conos con estas características, conocidos como cono sueco, y cono BS o británico (Figura 4), respectivamente (Leroueil y Le Bihan, 1996).

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Figura 4: Cono de 60°/60 g (izquierda) y cono de 30°/80 g (derecha).

Este método, hasta ahora considerado como alternativo al de la cuchara de Casagrande, ha sido oficialmente adoptado principalmente por países de la Unión Europea, nórdicos o de habla inglesa. Los más estudiados por el mundo occidental, entre los que se encuentran el estándar BS-1377 (Reino Unido), NF-P94-052 (Francia), AS-1289 (Australia) o ISO17892 (Internacional europeo), son en general casi idénticos entre sí, diferenciándose de estándares de otros países por ciertos parámetros relacionados al uso del cono BS o el cono sueco, así como la profundidad de penetración o tolerancias (Tabla 2) (Shimobe y Spagnoli, 2019a). Tabla 2: Estándares de ensayo de cono de caída de acuerdo a diferentes estándares internacionales. Shimobe y Spagnoli, 2019a.

Medida

Ángulo del vétice del cono (°)

Masa del cono (g)

Penetración del cono en el LL (mm)

BS1377 (Reino Unido) NF P94-052-1 (Francia) AS1289 (Australia) SS 027120 (Suecia)/ JGS 0142 (Japón) CEN ISO/TS 17892-12 (Internacional)

30

80

20

30

80

17

30

80

20

60

60

10 (Suecia); 11.5 (Japón)

30, 60

80, 60

20, 10

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Los aparatos que se utilizan exclusivamente en este método de ensayo consisten en: • Un penetrómetro manual o automático: permite sostener el cono y dejarlo caer en dirección vertical sobre la muestra de suelo (Figura 5). • Un cono de acero inoxidable, de no más de 32 mm de longitud (AS – BS: 35 mm – ISO: ≥ 30 mm – NF: ≥ 35 mm), cuya punta debe ser lo suficientemente puntiaguda para realizar el ensayo, o reemplazarlo si luce visiblemente dañado. El cono, en conjunto con el eje que permite que se deslice debe tener una masa de 80 ± 0,05 g (AS – BS, NF: 80 ± 0,1 g – ISO: 80 ± 0,08 g) y en su punta un ángulo de 30 ± 1° (AS, BS, NF – ISO: 30 ± 0,2). • Una taza de metal de diámetro no menor a 53 mm y profundidad no menor a 40 mm, de borde liso paralelo a la base plana.

Figura 5: Penetrómetro digital para determinación de Límite Líquido.

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Se toma suficiente material que pase por el tamiz N°40, el cual se mezcla en el contenedor o plato con agua hasta que el suelo se convierta en una pasta consistente. Se cubre la mezcla de suelo en el contenedor y se deja curar por al menos 12 horas. Luego se agrega la pasta en el fondo de la taza del aparato con la ayuda de la espátula hasta llegar con el suelo al borde de la taza y se coloca esta debajo del cono, asegurándose de que ambos, la base del aparato y el de la taza se encuentren completamente horizontales. Se procede a tomar la primera lectura (R1, w1) con el cono, de modo que su punta toque la superficie de la muestra. Luego de determinar la penetración en la segunda lectura, dejando el cono penetrar en el suelo por 5 segundos (R2-R1), se limpia y se devuelve el suelo al contenedor donde se mezcla por al menos 3 minutos incrementando cada vez el contenido de agua. Se debe repetir todo el proceso hasta obtener al menos tres puntos. En un gráfico semilogarítmico, se traza la recta que mejor se ajuste a la relación entre el contenido de humedad (w), correspondiente a las ordenadas lineales, y la penetración del cono, las abscisas logarítmicas. El límite líquido será el contenido de humedad que intersecte la recta para una penetración de 20 mm. 3.4.3 Determinación del Límite Plástico Límite plástico por amasado o rodado Los métodos estandarizados para la determinación del límite plástico tienen como fin el cálculo del menor contenido de humedad para el cual el suelo se comporta como un plástico. Dentro de normas en vigencia anteriormente descritas, como la norteamericana, británica y chilena, el mecanismo empleado es el amasado de una muestra de suelo entre la mano del operario y un vidrio, donde el movimiento entre estos reduce el contenido de humedad en la muestra. Se disgrega la muestra de forma cilíndrica hasta que alcanza

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los 3 mm de diámetro, comparando con una varilla de la misma dimensión. Se alcanza el límite plástico cuando la muestra se agrieta y no se puede reconstituir mediante el amasado. Si se alcanzan los 3 mm de diámetro y el cilindro aún puede ser amasado, este se rompe o se dobla para formar uno de mayor diámetro y repetir el procedimiento. Mientras la norma británica BS indica que el límite plástico debe ser registrado al primer signo de agrietamiento del cilindro, y su diámetro en este punto debe ser cercano 3 mm (5.3.3.7), manteniendo un ritmo y presión constantes (5.3.3.6), según la norma ASTM, no es de importancia que un cilindro se divida en otros de menor longitud, mientras estos puedan ser amasados nuevamente (17.4.1). Además, el límite plástico puede ser registrado a un diámetro mayor a 3 mm siempre que haya conformado un cilindro de esta dimensión anteriormente (17.4.4), y en ningún caso se debe intentar obtener el límite exactamente en este punto (17.4.2), reduciendo el ritmo de amasado y la presión ejercida por la mano. Instrucciones coincidentes con NCh1517/2.Of79 (7.d.1 y 7.d.2). 3.5 Clasificación USCS de suelos para fines de ingeniería En la actualidad, dos sistemas de clasificación de suelos son los que se utilizan ampliamente en la ingeniería: el sistema de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) y el Unified Soil Classification System (USCS) o Sistema Unificado de Clasificación de Suelos en español. Mientras que, en los Estados Unidos, el sistema AASHTO se utiliza principalmente en vialidad y en departamentos estatales de transporte y carreteras, la clasificación USCS es utilizada por la mayoría de las agencias federales, fuerzas armadas, empresas consultoras y laboratorios de suelos. Para la clasificación de un suelo en el sistema unificado, es esencial la identificación de tres de sus características: granulometría, límite líquido e índice plástico. En este, los suelos pueden ser divididos en tres grupos según

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su granulometría: suelos granulares gruesos, suelos de grano fino y suelos altamente orgánicos. Dependiendo de sus características pueden ser subdivididos en 15 grupos principales de suelos (Figura 6), representados por las combinaciones de los siguientes símbolos (Liu y Evett, 1992).

• G • S • M • C • O

Grava Arena

Limo

Arcilla

Orgánico

• PT Turba • P

Pobremente graduado

• W • H • L

Bien graduado Alta plasticidad Baja plasticidad

Figura 6: Cuadro de criterio de asignación de grupos y símbolos para la clasificación de suelos (Liu y Evett, 1992).

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El principal criterio es el porcentaje de suelo pasante en el tamiz N°200, luego lo retenido en el tamiz N°4 y el límite líquido. Finalmente se tienen tres tipos de criterios finales, dependiendo del grupo al que el suelo haya sido asignado previamente: • Coeficiente de curvatura (C c ) y coeficiente de uniformidad (C u ): siendo el coeficiente de curvatura la expresión ( 30 ) 2 /( 10 ∙ 60 ) , y el coeficiente de curvatura se representa con el cociente ( 60 / 10 ) , donde 60 , 30 y 10 corresponden a los diámetros por debajo del cual quedan el 60, 30 y 10 por ciento más fino del suelo, respectivamente. • Variación del límite líquido por secado al horno: utilizado para diferenciar suelos de grano fino orgánicos de los inorgánicos. • Según su límite líquido e índice plástico en la carta de plasticidad: Se utilizan ecuaciones graficadas en la carta de plasticidad (Figura 7), para la clasificación de suelos de grano fino y fracciones de finos en suelos de grano grueso. Con el índice de plasticidad como ordenada y el límite líquido como abscisa, se distinguen suelos con alta o baja plasticidad, y las arcillas de los limos.

Figura 7: Carta de plasticidad. ASTM D 2487.

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El procedimiento de clasificación de suelos con el sistema unificado, así como la simbología de los grupos de suelo y carta de plasticidad se encuentra publicado en el estándar ASTM D 2487. 3.6 Situación geográfica y caracterización de los suelos volcánicos de la zona de Hornopirén Hornopirén es la capital de la comuna de Hualaihué, ubicada en el norte de la Provincia de Palena, Región de Los Lagos. La zona la componen pequeñas localidades con un alto grado de aislamiento respecto de las demás comunas de la Región, debido a su constitución geológica caracterizada por sus montañas, valles y borde costero irregular esculpido principalmente por la acción volcánica y de glaciares. La comuna se encuentra dentro del segmento sur de la zona volcánica del sur de los Andes (Figura 8 ), que da el relieve característico al paisaje de la provincia de Palena y la Región de Aysén. En específico, cercano a los poblados de Hualaihué se encuentran los volcanes Apagado, Yate y Hornopirén, estos dos últimos ubicados dentro del Parque Nacional Hornopirén.

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Figura 8: Izquierda: Volcanes presentes en el segmento sur de la zona volcánica sur de los Andes. Derecha: Mapa que muestra la Península de Hualaihué y la ubicación de sus volcanes, así como la ruta que une los poblados de la comuna. Watt et al . (2011). El plano regulador de la comuna considera sus suelos como una restricción medioambiental y productiva más que una potencialidad. Alrededor del 70% de su superficie se encuentra clasificada como tipo VI y VIII dentro del D.S. N°83 de 2010 del Ministerio de Agricultura, debido a lo escarpado y las desfavorables condiciones para su cultivo, sin embargo, es buen terreno para pastoreo y forestación por el régimen de lluvias de la zona. Son recurrentes los llamados a concurso por parte del Instituto de Desarrollo Agropecuario (INDAP) de la Región de Los Lagos, para la adjudicación de incentivos destinados al uso de fertilizantes en zonas de las provincias de Osorno, Llanquihue, Chiloé y la comuna de Hualaihué con suelos de condiciones desfavorables para uso agropecuario. Con esto se busca principalmente la incorporación de elementos químicos mediante fertilizante de base fosfada

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para la recuperación de los niveles de fósforo perdidos durante la actividad, y mediante el uso de carbonato de calcio (CaCO3) bajar los niveles de saturación de aluminio, de rica concentración en los andisoles de Chile debido a la presencia de material orgánico (OM) (Matus et al., 2006). De origen volcánico, son suelos jóvenes generados de la actividad volcánica explosiva y efusiva dada durante el holoceno en la península de Hualaihué, expulsando escoria basáltica en tamaño de lapilli. Hay evidencia de capas de pómez andesítico del volcán Calbuco y riolíticas del volcán Chaitén en los depósitos de tefra de la zona, predominando los depósitos ricos en vidrios y cristales. (Watt et al., 2011). Los elevados aportes orgánicos que reciben los suelos se deben principalmente a la gran cantidad de humedad y a la densa vegetación de la zona, cubierta por bosques, que forman complejos Al, Fe-húmicos (que dan el color negro característico del humus), pero que inhiben la formación de arcillas alofánicas en las capas superficiales, debido a que el Al no es capaz de combinarse con el Si para formarlas, y en su lugar lo hacen los complejos Aluminio-humus que son más reactivos al fósforo presente en las tefras que el alofán (Nanzyo et al., 1993a). Los complejos Al-humus suelen estar acompañados de la formación de materiales no cristalinos como alofán e imogolita en condiciones de meteorización por ácido carbónico en el horizonte A. Sin embargo, ácidos orgánicos presentes en las capas superficiales bajan el pH y previenen la disociación de ácido carbónico, inhibiendo su lixiviación hacia capas inferiores (Shoji et al., 1993). La estabilización del Al y Fe en las capas superficiales se conoce como el proceso “anti-alofán” (Besoain, 1985). La caracterización de las muestras de suelo tomadas en la península de Hualaihué muestra, según Besoain et al. (2000), “un horizonte A oscuro y grueso con alto contenido de materia orgánica (12-25% C-orgánico); retención

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de agua alta a moderada a 1.500 kPa; alto valor de retención de fosfato (>90%), contenido muy alto de vidrio volcánico (59-88%) y tiende a crecer con la profundidad del perfil; la mayoría del vidrio contiene burbujas”. Los tratamientos de las muestras en el estudio de Besoain siguiendo el método de disolución efectiva con oxalato, ditionito y pirofosfato descrito por Dahlgren (1994), indican que contrario a las muestras de suelo extraídas cercanas a los volcanes Yate y Apagado, las muestras cercanas al volcán Hornopirén (el más cercano al pueblo homónimo) contienen pequeñas cantidades de alofán (1 4%) hasta los aproximadamente los 80 cm de profundidad, clasificándose los suelos como andisoles no-alofánicos. Posee también una retención de agua superior al 100% y un porcentaje de arcilla similar a los otros suelos del estudio que presentan mayor cantidad de arcillas alofánicas. Físicamente, los andisoles poseen una baja densidad aparente, producto de la conformación porosa de su estructura, y una baja consistencia, dureza y plasticidad, debido a la presencia de material no cristalino, o material orgánico, en nuestro caso de estudio (Nanzyo et al., 1993b). Esto los convierte en suelos de rápida saturación, proclives a deslizamientos en masa y derrumbes, que limita la posibilidad de construcción de nuevos caminos en la zona, debido a la disminución de la estabilidad en las laderas. 4. ESTADO DEL ARTE 4.1 Comparaciones entre métodos a través del tiempo El estudio de Wires (1984), da cuenta de la inquietud de países de la anglo esfera como Canadá de modernizar los estándares de ensaye de suelos en relación a los límites de Atterberg, buscando métodos más simples y precisos. Comparó para esto dos métodos de la normativa de la época, correspondientes al método de la cuchara de Casagrande (ASTM) y cono de caída (BS), destacando la poca variabilidad del método utilizado en Gran Bretaña comparado con el utilizado en Canadá. Se comprueba su punto a

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través de una metodología que mide variabilidad y rapidez en cada uno según la experiencia del operador. Se ha observado que, repetidos los ensayos sobre las mismas muestras de suelo, las diferencias de resultados de límite líquido para la cuchara de Casagrande pueden alcanzar el doble de diferencia entre sí que cuando se

ensaya con el cono de caída (Di Matteo, 2011). Límite plástico mediante el cono de caída

Existe un método para la determinación del límite plástico mediante el penetrómetro de cono de caída, con experiencias de distintos autores buscando la determinación de los límites de consistencia con un mismo aparato (Wood et al., 1978; Wasti y Bezirci, 1986; Feng, 2001; Zentar et al., 2009). La relación central utilizada en el ensayo de cono, donde corresponde al esfuerzo al corte no drenado, a la penetración del cono y a la masa del cono, derivada de Hansbo y obtenida mediante análisis dimensional para conos geométricamente similares es: ∙ 2 = (4.1) Esta expresión ha sido derivada y utilizada para determinar el índice plástico de una determinada muestra de suelo, utilizando conos de diferente masa 1 y 2 , con la expresión: = ∆ ∙ lo l g og100 1 / 2 = ln log100 1 / 2 (4.2)

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