TTE79

Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

Proyecto de título para optar al grado de Ingeniero Civil Geólogo.

Francisco Javier Valdivia Etcheverría.

Temuco, Chile.

2022.

Profesor Guía: Manuel Yáñez Portilla

Profesor Coguía: Rodrigo Osses Peña.

Departamento de Obras Civiles y Geología, Facultad de Ingeniería.

Universidad Católica de Temuco.

COMISIÓN PROYECTO DE TÍTULO

Este proyecto de título ha sido realizado en el Departamento de Obras Civiles y Geología, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco.

Profesor Guía:

Sr. Manuel Yáñez Portilla

Ing. Civil en Obras Civiles, MBA

Departamento de Obras Civiles y Geología

Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco

Profesor Coguía:

Sr. Rodrigo Osses Peña

Ing. Constructor, Ing. Civil

Departamento de Ingeniería de Obras Civiles

Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad de La Frontera

Profesor Informante:

Sr. Roberto Torres Hoyer

Ing. Geólogo, M.Sc. Ingeniería Vial

Departamento de Obras Civiles y Geología

Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco

Profesor Informante:

Sr. Jesús Torres Hoyer

Ing. Geólogo, M.Sc. Matemática Aplicada a la Ingeniería

Departamento de Obras Civiles y Geología

Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco

Ministro de fé:

Sra. Elisa Ramírez Sánchez

Geóloga, Dra. Ciencias mención Geología

Departamento de Obras Civiles y Geología

Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, agradecer a Dios por ser parte de mi vida desde el primer momento, guiarme en cada una de las acciones que he realizado y ponerme a personas tan importantes a lo largo de mi vida. Agradecer a mi familia, mi mamá Myriam Etcheverría, papá Roberto Valdivia y hermano Nicolás Valdivia por ser parte fundamental en mi vida, acompañarme, aconsejarme y estar presente en cada una de las etapas de mi vida, tanto en los buenos y malos momentos. Agradecer a mi pareja Javiera Díaz por acompañarme desde el comienzo hasta el final de esta etapa tan difícil pero linda al mismo tiempo, estar siempre presente y preocupada sobre todo en los peores momentos a lo largo de todos estos años. Agradecer a todos mis amigos y compañeros de carrera que estuvieron conmigo en momentos difíciles, aportándome solo como un amigo lo puede hacer. Agradecer a los profesores Manuel Yáñez, Rodrigo Osses, Jesús Torres y Roberto Torres por ser parte importante de mi desarrollo tanto como persona y profesional, compartiendo sus conocimientos y depositando todas sus confianzas en mí desde el comienzo. Finalmente, agradecer a la Universidad Católica de Temuco, por guiarme por estos más de 5 años de carrera y prestarme todo lo necesario durante mis años de estudios, así como también agradecer a la Universidad de La Frontera por ser parte de mi etapa final como estudiante prestándome todo lo necesario para poder terminar mi carrera.

Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún

Autor: Francisco Valdivia Etcheverría

Profesor Guía: Manuel Yañez Portilla

Profesor Coguía: Rodrigo Osses Peña

RESUMEN

El límite líquido consiste en el contenido de agua de un suelo en el punto de transición de estado plástico a líquido. Este parámetro se obtiene tradicionalmente con el ensayo de cuchara de Casagrande. Sin embargo, existe otro método denominado penetrómetro de cono de caída libre, el cual presenta ciertas ventajas en comparación al ensayo tradicional. Una de las principales ventajas que presenta el penetrómetro de cono de caída es la poca influencia del operador en el procedimiento del método, lo cual hace que se obtengan resultados más certeros y no tan subjetivos que varíen según quien realice el ensayo a diferencia de la cuchara de Casagrande. En este trabajo se realizaron las metodologías de cuchara de Casagrande y penetrómetro de cono de caída en una muestra de suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún, en donde se llevó a cabo una comparación entre los resultados obtenidos. La muestra fue ensayada en diferentes estados, tales como humedad inicial, secado al aire y secado en horno. Se obtuvieron resultados de límite líquido mediante ambas metodologías, límite plástico mediante el método de Casagrande, índice de plasticidad y clasificación USCS. Con ambas metodologías se obtuvieron valores similares de límite líquido, sin embargo, con el penetrómetro de cono de caída al anular en gran medida la acción del operador se consiguieron conclusiones muy satisfactorias, lo que hace pensar que la metodología del penetrómetro pueda considerarse como un método alternativo para la obtención de límite líquido en Chile.

Palabras claves: Cuchara de Casagrande, penetrómetro de cono de caída, límite líquido.

ABSTRACT

The liquid limit is the water content of a soil at the point of transition from plastic to liquid. This parameter is traditionally obtained with the Casagrande spoon test. However, there is another method called free fall cone penetrometer, which has certain advantages compared to the traditional test. One of the main advantages of the falling cone penetrometer is the little influence of the operator on the method procedure, which means that more accurate results are obtained and not so subjective that they vary depending on who performs the test, unlike the spoon. of Casagrande. In this work, the Casagrande spoon and fall cone penetrometer methodologies were carried out on a soil sample of volcanic origin from the Vilcún commune, where a comparison was made between the results obtained. The sample was tested in different states, such as initial moisture, air-drying, and oven-drying. Liquid limit results were obtained using both methodologies, plastic limit using the Casagrande method, plasticity index and USCS classification. With both methodologies, similar values of liquid limit were obtained, however, with the falling cone penetrometer, by canceling to a great extent the action of the operator, very satisfactory conclusions were obtained, which suggests that the methodology of the penetrometer can be considered as a method alternative for obtaining the liquid limit in Chile.

Keywords: Casagrande spoon, falling cone penetrometer, liquid limit.

ÍNDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 1

1 CAPÍTULO 1 – GENERALIDADES .......................................................................... 3

1.1 Planteamiento del problema..................................................................................... 3

1.2 Objetivos .................................................................................................................. 3

1.2.1

Objetivo general ............................................................................................... 3

1.2.2

Objetivos específicos ........................................................................................ 3

1.3 Alcances ................................................................................................................... 4

1.4 Justificación ............................................................................................................. 4

1.5 Hipótesis .................................................................................................................. 4

1.6 Propósito .................................................................................................................. 5

1.7 Antecedentes ............................................................................................................ 5

2 CAPÍTULO 2 – MARCO TEÓRICO ....................................................................... 14

2.1 El Suelo .................................................................................................................. 14

2.1.1

Historia ........................................................................................................... 14

2.1.2

Definición y origen ......................................................................................... 14

2.1.3

Componentes de un suelo ............................................................................... 15

2.1.4

Tipos de suelos ............................................................................................... 16

2.1.5

Distribución granulométrica ........................................................................... 17

2.1.6

Minerales de arcilla ........................................................................................ 18

2.1.7

Comportamiento de los suelos finos............................................................... 21

2.2 Contenido de humedad de un suelo ....................................................................... 22

2.3 Consistencia de un suelo ........................................................................................ 22

2.4 Plasticidad de un suelo........................................................................................... 22

2.5 Estados de consistencia de un suelo....................................................................... 23

2.6 Límites de Atterberg o de consistencia .................................................................. 25

2.7 Índice de plasticidad (I P ) ........................................................................................ 26

2.8 Carta de plasticidad................................................................................................ 27

2.9 Métodos para obtener el Límite Líquido ............................................................... 28

2.9.1

Ensayo cuchara de Casagrande....................................................................... 28

2.9.2

Penetrómetro de cono de caída ....................................................................... 28

2.10 Ensayo para obtener Límite Plástico...................................................................... 29

2.10.1 Método de Casagrande ................................................................................... 29

2.11 Análisis estadístico................................................................................................. 30

2.11.1 Regresión lineal .............................................................................................. 30 2.11.2 Coeficiente de determinación (R 2 ) ................................................................. 31

2.11.3 Desviación estándar ........................................................................................ 31

2.12 Zona de estudio ...................................................................................................... 31

2.12.1 Localización del suelo .................................................................................... 31

2.12.2 Comuna de Vilcún .......................................................................................... 32

2.12.3 Suelos de la comuna de Vilcún....................................................................... 33

3 CAPÍTULO 3 – METODOLOGÍA ........................................................................... 35

3.1 Generalidades......................................................................................................... 35

3.2 Tipo de investigación ............................................................................................. 35

3.3 Ensayos de Laboratorio.......................................................................................... 35

3.3.1

Generalidades ................................................................................................. 35

3.3.2

Muestra de suelo ............................................................................................. 36

3.3.3

Estado de las muestras .................................................................................... 37

3.3.3.1 Humedad Inicial.......................................................................................... 37

3.3.3.2 Secado al aire (20 ± 2°C) ............................................................................ 37

3.3.3.3 Secado en horno (40 ± 5°C)........................................................................ 37

3.3.4

Preparación de las muestras............................................................................ 37

3.3.4.1 Humedad Inicial.......................................................................................... 37

3.3.4.2 Secado al aire y en horno ............................................................................ 39

3.3.5

Realización de ensayos para obtención del límite líquido.............................. 40

3.3.5.1 Cuchara de Casagrande............................................................................... 40

3.3.5.1.1 Materiales .............................................................................................. 40

3.3.5.1.2 Revisiones previas................................................................................. 42

3.3.5.1.3 Metodología .......................................................................................... 42

3.3.5.2 Penetrómetro de cono de caída ................................................................... 46

3.3.5.2.1 Materiales .............................................................................................. 46

3.3.5.2.2 Revisiones previas................................................................................. 48

3.3.5.2.3 Metodología .......................................................................................... 48

3.3.6

Realización de ensayos para obtención del límite plástico............................. 52

3.3.6.1 Método de Casagrande................................................................................ 52

3.3.6.1.1 Materiales .............................................................................................. 52

3.3.6.1.2 Metodología .......................................................................................... 52

3.4 Revisión y análisis de resultados obtenidos ........................................................... 55

3.4.1

Cálculo del límite líquido ............................................................................... 55

3.4.2

Cálculo del límite plástico .............................................................................. 55

3.4.3

Cálculo del índice de plasticidad .................................................................... 55

3.4.4

Clasificación USCS ........................................................................................ 56

4 CAPÍTULO 4 – RESULTADOS Y ANÁLISIS........................................................ 57

4.1 Generalidades......................................................................................................... 57

4.2 Límite líquido......................................................................................................... 57

4.3 Límite plástico ....................................................................................................... 66

4.4 Índice de plasticidad .............................................................................................. 66

4.5 Descenso del límite líquido.................................................................................... 67

4.6 Diferencia entra la cuchara de Casagrande y penetrómetro de cono de caída ....... 67

4.7 Máxima diferencia registrada en los ensayos realizados por ambas metodologías68

4.8 Desviación estándar ............................................................................................... 68

4.9 Coeficiente de determinación ................................................................................ 69

4.10 Curva granulométrica............................................................................................. 70

4.11 Clasificación USCS ............................................................................................... 71

5 CAPÍTULO 5 – CONCLUSIONES........................................................................... 72

5.1 Conclusiones específicas ....................................................................................... 72

5.2 Proyecciones futuras .............................................................................................. 73

REFERENCIAS ................................................................................................................. 74

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1 . Correlaciones entre límite líquido de ambas metodologías ................................ 5

Figura 1-2 . Correlación entre límite líquido de ambas metodologías.................................... 6

Figura 1-3. Correlación entre límite líquido de ambas metodologías para arcillas muy plásticas .................................................................................................................................. 6

Figura 1-4. Correlación entre límite líquido de ambas metodologías para arcillas puras...... 7

Figura 1-5 . Correlación entre límite líquido de ambas metodologías.................................... 7

Figura 1-6 . Clasificación mediante U S CS para ambos suelos volcánicos considerando diferentes tipos de secados ..................................................................................................... 8 Figura 1-7 . Comparación de resultados obtenidos de límite líquido según diferentes metodologías........................................................................................................................... 9 Figura 1-8. Comparación de resultados de límite líquido por el método de Casagrande y penetrómetro ........................................................................................................................... 9 Figura 1-9. Comparación de límite líquido entre cuchara de Casagrande y penetrómetro con diferentes conos a) Británico b) Canadiense c) Colombiano d) Indio e) Ruso.............. 10 Figura 1-10. Comparación de resultados para límite líquido obtenidos en penetrómetro de cono de caída y cuchara de Casagrande con diferentes bases. a) Base dura. b) Base blanda .............................................................................................................................................. 11 Figura 1-11. Correlación límite líquido para ambos métodos para un limo de alta compresibilidad .................................................................................................................... 12 Figura 1-12 . Correlación límite líquido de Casagrande y límite líquido de penetrómetro de cono de caída para suelos finos ............................................................................................ 12

Figura 1-13 . Correlación límite líquido para ambos métodos en suelos granulares ............ 13

Figura 2-1 . Fases de un suelo. a) Fase saturada b) Fase húmeda c) Fase seca .................... 15

Figura 2-2 . Diagramas de fases............................................................................................ 16

Figura 2-3 . Ejemplo de curvas granulométricas .................................................................. 18

Figura 2-4 . Lámina de tipo silícico ...................................................................................... 19

Figura 2-5 . Lámina de tipo alumínico.................................................................................. 19

Figura 2-6 . Arcilla Caolinítica ............................................................................................. 20

Figura 2-7 . Arcilla montmorilonítica ................................................................................... 20

Figura 2-8 . Arcilla ilítica...................................................................................................... 21

Figura 2-9 . Relación de deformación y resistencia en los estados de consistencia ............. 24

Figura 2-10 . Variación del volumen del suelo respecto al contenido de humedad ............. 25

Figura 2-11 . Carta de plasticidad ......................................................................................... 27

Figura 2-12. Cilindro con humedad para obtener w p .......................................................... 30

Figura 2-13 . Ubicación del suelo en la comuna de Vilcún .................................................. 32

Figura 2-14 . Características y asociaciones de suelo en Vilcún .......................................... 33

Figura 3-1 . Muestra de suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún ........................ 36

Figura 3-2. Muestras para realizar los ensayos según la metodología a) Muestra para la cuchara de Casagrande b) Muestra para el penetrómetro de cono de caída ......................... 38

Figura 3-3 . Muestra de suelo mezclada con agua desionizada ............................................ 38

Figura 3-4 . Muestra de suelo tamizada ................................................................................ 39

Figura 3-5 . Recipientes sellados para el curado................................................................... 40

Figura 3-6 . Equipo para la realización de la metodología de Casagrande a) Aparato de Cuchara de Casagrande b) Acanalador................................................................................. 41

Figura 3-7 . Materiales necesarios para realizar la metodología de cuchara de Casagrande 41

Figura 3-8 . Balanza con precisión de 0,01 g........................................................................ 42

Figura 3-9. Pasta de suelo colocada en la cuchara de Casagrande ...................................... 43

Figura 3-10. Porción de suelo separado mediante el acanalador ......................................... 43

Figura 3-11 . Paredes de la ranura entrando en contacto ...................................................... 44

Figura 3-12 . Realización de ensayo de Casagrande a) Fracción de muestra que se extraerá b) Fracción de muestra que se extrajo .................................................................................. 44

Figura 3-13 . Pesos necesarios para el ensayo de Casagrande a) Peso del recipiente .......... 45

Figura 3-14 . Reciente con la muestra tapado ....................................................................... 45

Figura 3-15 . Recipientes tapados con 5 muestras a distintas humedades............................ 46

Figura 3-16 . Equipo para realización de ensayo de penetrómetro a) Aparato de penetrómetro de cono de caída b) Peso del cono 30°/80g c) Cono 30°/80g ........................ 47 Figura 3-17. Materiales necesarios para realizar la metodología del penetrómetro de cono de caída ................................................................................................................................. 48 Figura 3-18 . Pasta de suelo preparada para realizar el ensayo de penetrómetro de cono de caída...................................................................................................................................... 49

Figura 3-19 . Pasta de suelo preparada debajo del cono ....................................................... 49

Figura 3-20 . Penetrómetro tarado previo a dejarlo caer ...................................................... 50

Figura 3-21 . Realización de ensayo de penetrómetro a) Primera muestra penetrada b) Segunda muestra penetrada .............................................................................................. 51 Figura 3-22 . Materiales necesarios para realizar el método de Casagrande ........................ 52 Figura 3-23 . Porción de 1 cm 3 para realizar el ensayo ........................................................ 53

Figura 3-24 . Cilindro de 3 mm de diámetro ........................................................................ 53

Figura 3-25 . Fracciones del cilindro disgregadas ................................................................ 54

Figura 3-26 . Fracciones del cilindro colocadas en un recipiente ......................................... 54

Figura 4-1 . Curvas de w L en estado humedad inicial mediante cuchara de Casagrande con zoom ..................................................................................................................................... 58 Figura 4-2 . Curvas de w L en estado de secado al aire mediante cuchara de Casagrande con zoom ..................................................................................................................................... 59 Figura 4-3 . Curvas de w L en estado de secado en horno mediante cuchara de Casagrande con zoom............................................................................................................................... 60 Figura 4-4 . Curvas de w L en estado de humedad inicial mediante penetrómetro de cono caída con zoom ..................................................................................................................... 61 Figura 4-5 . Curvas de w L en estado de secado al aire mediante penetrómetro de cono de caída con zoom ..................................................................................................................... 62 Figura 4-6 . Curvas de w L en estado de secado en horno mediante penetrómetro de cono de caída con zoom ..................................................................................................................... 63 Figura 4-7 . Curvas de w L promedios para cada metodología en los estados de humedad inicial, secado al aire y secado en horno .............................................................................. 64

Figura 4-8 . Curvas de w L por Casagrande y penetrómetro para los estados de la muestra . 65

Figura 4-9 . Curva granulométrica del suelo de la comuna de Vilcún ................................. 70

Figura 4-10 . Clasificación USCS de valores promedios de w p e I p ..................................... 71

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2-1. Tipos de suelos según su modo de transporte y deposición................................ 16

Tabla 2-2. Tipo de suelo según su tamaño ........................................................................... 17

Tabla 2-3. Estándares de ensayo de cono de caída en relación con diferentes normativas internacionales ...................................................................................................................... 29 Tabla 4-1. Valores de límite líquido mediante cuchara de Casagrande y penetrómetro de cono de caída ........................................................................................................................ 65

Tabla 4-2. Valores de w P mediante el método de Casagrande ............................................. 66

Tabla 4-3 . I P mediante cuchara de Casagrande y penetrómetro de cono de caída ............... 66 Tabla 4-4. Descenso del w L producto del secado ................................................................. 67

Tabla 4-5. Diferencia entre ambas metodologías ................................................................. 67

Tabla 4-6. Diferencia entre los ensayos realizados por ambas metodologías ...................... 68

Tabla 4-7 . Desviación estándar del límite líquido en ambas metodologías ......................... 69

Tabla 4-8 . Coeficiente de determinación en ambas metodologías ....................................... 69

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO A ............................................................................................................................ 78

ANEXO B .......................................................................................................................... 100

ANEXO C .......................................................................................................................... 122

ANEXO D .......................................................................................................................... 129

INTRODUCCIÓN

1 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún. • Efecto cono de caída vs Casagrande (I p , I L , A C , clasificación USCS, mineralogía, etc), Un estudio de geotecnia en ingeniería civil consiste en determinar características mecánicas e hidráulicas de un determinado suelo mediante diversos ensayos que se les realizan a muestras de éste, ya sean en laboratorio o in situ . Lo anterior, se realiza con el propósito de determinar las propiedades del lugar de emplazamiento de un proyecto y así evaluar si es apto o no según los requerimientos de éste. Una de las diversas propiedades que presentan los suelos son los límites de Atterberg, donde se encuentran el límite de contracción (frontera entre los estados sólido y semisólido), límite plástico (frontera entre los estados semisólido y plástico) y límite líquido (frontera entre los estados plástico y líquido). Éstos están relacionados con el contenido de humedad que presenta el material, lo cual afecta en gran medida al comportamiento que tendrá el suelo dependiendo de su estado de consistencia. El método más clásico y conocido para la obtención del límite líquido es el ensayo de Casagrande, mediante la chuchara del mismo nombre, descrito en normas, tales como la ASTM D-4318. Sin embargo, este método presenta algunas deficiencias, ya que confía totalmente en la habilidad del operador, ya sea la variación en el ritmo de golpeo, la forma de la hendidura realizada o la visualización de cuando se cierra la misma. Por ende, sus resultados son subjetivos, lo que conlleva que el rango de errores en los resultados reportados sea bastante amplio. Por otra parte, se tiene un método alternativo conocido como penetrómetro de cono de caída, el cual es un ensayo estático en donde interactúan las fuerzas de corte del suelo, lo que lo hace más confiable en sus resultados. En otros países según sus respectivas normas han determinado a este ensayo como el método preferido para determinar el límite líquido. La norma estándar británica BS 1377-2 en 1990 lo determinó como la mejor alternativa. Otras normas que ubican al ensayo penetrómetro en primer lugar son la CEN ISO/TS 17892-12 europea y AS 1289.3.9.1 australiana. En la presente investigación se obtendrán resultados de límite líquido de un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún mediante los dos ensayos mencionados, para posteriormente evaluar ambos resultados. Lo anterior, con el propósito de una posible incorporación del método de penetrómetro de cono de caída en la norma chilena, ya que actualmente solo 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. De igual forma, se identificará la influencia del operador en los resultados. La presente investigación es parte de un macroproyecto a largo plazo, que tiene por objetivo la incorporación del método de penetrómetro de cono de caída a la norma chilena. Éste evaluará:

• Ambas metodologías para suelos alofánicos • Validez para el límite de plasticidad • Efecto al cambiar el tamaño del cono

El macroproyecto mencionado se está llevando a cabo con 2 suelos de Hornopirén, 2 de la región del Maule, 1 del sector norte de Temuco, 1 de Pichiquepe y 1 de la comuna de Vilcún (este último es el suelo de la presente investigación). Posteriormente se irán sumando nuevos suelos de diferentes características.

2 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

1

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES

1.1

Planteamiento del problema

El conocimiento del valor del límite líquido (w L ) de un determinado suelo es de suma importancia en el área de la geotecnia, ya que indica el valor de contenido de humedad en que un suelo se comporte de forma líquida o plástica. Es por ello, que la obtención del w L es fundamental que sea certera, sin embargo, hay diversos factores que puedan alterar los resultados dependiendo del método que se utilice para obtenerlo. El método más utilizado para la obtención del límite líquido es a través de la cuchara de Casagrande, la cual presenta muchos inconvenientes, debido a que es un ensayo antiguo que depende considerablemente del operador, variando con cada persona que realice el ensayo. Por lo anterior, es que se requiere obtener diferentes alternativas de ensayos más eficientes. Dentro de las alternativas que se mencionan aparece el penetrómetro de cono de caída, el cual funciona de forma más estática reduciendo la participación del operador del ensayo, lo que hace mejorar algunas de las falencias de la cuchara de Casagrande. En esta investigación se buscará comparar ambos métodos de obtención de límite líquido con el propósito de ver si el penetrómetro de cono caída genera una mayor exactitud, certeza y fiabilidad en los resultados sobre la metodología de la cuchara de Casagrande mediante la realización de ensayos de una muestra de un suelo volcánico de la comuna de Vilcún.

1.2

Objetivos

1.2.1

Objetivo general

• Evaluar los métodos de Casagrande y de penetrómetro de cono de caída para resultados de límites de consistencia de suelos de la región de La Araucanía.

1.2.2

Objetivos específicos

• Evaluar las metodologías en muestras de un suelo volcánico de la comuna de Vilcún utilizando estándares vigentes.

3 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

• Identificar la implicancia del operador en la metodología de Casagrande para la clasificación de la muestra de suelo estudiada.

1.3

Alcances

• Se obtendrá el límite líquido mediante los métodos de Casagrande y penetrómetro de cono de caída. • El límite plástico se evaluará sólo a través del método de Casagrande. • Se ensayará la muestra de suelo en estado de humedad inicial, secado al aire y secado al horno.

1.4

Justificación

Los suelos de origen volcánico son parte importante del territorio chileno debido al alto volcanismo desarrollado por la cordillera de Los Andes, los cuales antes eran utilizados para actividades agrícolas, hoy en día se le están dando otros usos. Es por ello, que los estudios de caracterización para este tipo de suelo se han vuelto más importantes y utilizados a nivel mundial, debido a que cada vez se necesitan realizar más construcciones, viviendas, parques, entre otros, producto del aumento de la población humana. Actualmente, para obtener el valor del límite líquido en Chile sólo se utiliza el método de cuchara de Casagrande, el cual presenta bastantes inconvenientes, principalmente porque depende en gran medida del juicio del operador, lo cual hace que los resultados obtenidos de un mismo suelo varíen considerablemente. Lo anterior, hace que se busquen ensayos más actualizados y con menos margen de error. Por lo tanto, se busca analizar los resultados obtenidos mediante el método de cuchara de Casagrande y el penetrómetro de cono de caída para un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún, lo que ayudará a crear antecedentes sobre la comparación de resultados de límite líquido de ambos ensayos para suelos en Chile, y con ello poder ayudar a una posible incorporación del método de penetrómetro de cono de caída en la normativa chilena.

1.5

Hipótesis

El penetrómetro de cono de caída no depende de la acción del operador como ocurre con el método de la cuchara de Casagrande, por lo tanto, los resultados se van a ver menos influenciados en relación a la metodología de Casagrande.

4 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

1.6

Propósito

Obtener los resultados de límite líquido del método de Casagrande y penetrómetro de cono de caída para una posible incorporación de este último método en la normativa chilena, debido a las desventajas que presenta el método actual.

1.7

Antecedentes

Varios investigadores (Karlsoon, 1961 y 1977; Sherwood y Ryley, 1970; Wires, 1984; Wasti y Bezirei, 1886; Ozer 2009; Zentar et al, 2009; Gronbech et al, 2011; Di Matteo, 2012; Spagnoli, 2012) han intentado establecer correlaciones entre los valores de límite líquido obtenidos con la cuchara de Casagrande y penetrómetro de cono de caída en distintos tipos de suelo, obteniendo en su mayoría resultados satisfactorios (ver Figura 1-1 , Figura 1-2 , Figura 1-3 , Figura 1-4 y Figura 1-5 ).

Figura 1-1 . Correlaciones entre límite líquido de ambas metodologías (Ozer, 2009)

5 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

Figura 1-2 . Correlación entre límite líquido de ambas metodologías (Zentar et al., 2009)

Figura 1-3. Correlación entre límite líquido de ambas metodologías para arcillas muy plásticas (Gronbech et al., 2011)

6 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

Figura 1-4. Correlación entre límite líquido de ambas metodologías para arcillas puras (Spagnoli, 2012)

Figura 1-5 . Correlación entre límite líquido de ambas metodologías (Di Matteo, 2012)

Emami (2012) investigó los efectos de diferentes parámetros del cono de caída en la obtención del límite líquido y plástico, tales como ápice del cono, diámetro, sobrecarga, rugosidad de la superficie para suelos homogéneos y no homogéneos. Zamy y Varela (2015) buscaron obtener una ecuación de regresión para poder determinar mediante estadística el límite líquido para suelos venezolanos arcillo limosos de baja plasticidad considerando variables tales como el contenido de arena y limo, humedad relativa ambiental en el laboratorio, tamaño de taza en la que se realiza el ensayo de penetración con el cono y la influencia del peso de este último.

7 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

Varela (2016) investigó sobre el efecto del tipo de secado en las propiedades índice de dos suelos de origen volcánico, en donde para los límites de Atterberg la plasticidad se va perdiendo gradualmente a medida que la humedad de la muestra también se pierde, lo cual fue atribuible a las partículas de alofán. Finalmente, al momento de realizar una rehidratación en las muestras, una vez secadas, éstas no mostraron una recuperación en su plasticidad debido a que la formación de arcilla alofánica es un proceso más largo en condiciones específicas (ver Figura 1-6 ).

Figura 1-6 . Clasificación mediante U S CS para ambos suelos volcánicos considerando diferentes tipos de secados (Varela, 2016) Hrubesova et al. (2016) analizaron dos tipos de suelos, uno de plasticidad intermedia (marga) y otro de alta plasticidad (bentonita) mediante la cuchara de Casagrande y penetrómetro, sin embargo, le dieron dos enfoques diferentes a este último, en donde utilizaron el cono 30°/80g con una penetración de 20 mm para el límite líquido, y una nueva calibración para el límite líquido del cono - NCCLL (Mohajerani), la cual asume la influencia de la profundidad de penetración del cono en el límite líquido sobre la resistencia al corte sin drenaje, la cual no es única para todos los tipos de suelos. Observaron que para el suelo altamente plástico el valor del límite líquido del cono estándar (30°/80g) es significativamente menor comparado con el valor de Casagrande, mientras que con la calibración NCCLL dieron valores muy cercanos (ver Figura 1-7 ).

8 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

Figura 1-7 . Comparación de resultados obtenidos de límite líquido según diferentes metodologías (Hrubesova et al., 2016) Rabat (2016) estudió sobre la metodología del penetrómetro cónico de la norma británica BS 1377 para correlacionar los resultados obtenidos con el método de la cuchara de Casagrande definido en la norma española UNE 103-103-94, para con ello verificar la bondad del penetrómetro y su aplicabilidad a los suelos españoles de baja y media plasticidad, revelando al penetrómetro de cono como un procedimiento válido para la determinación del límite líquido debido a la buena correlación de los resultados obtenidos entre este método y Casagrande (ver Figura 1-8 ).

Figura 1-8. Comparación de resultados de límite líquido por el método de Casagrande y penetrómetro (Rabat, 2016)

9 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún. Duarte y Rojas (2017) evaluaron diferentes conos para una muestra de material bentónico dentro de un macroproyecto en Colombia con el fin de demostrar cual de éstos brinda más eficiencia, en donde obtienen que el método del cono muestra resultados menos dispersos en comparación con los del ensayo tradicional (ver Figura 1-9 ).

b)

a)

d)

c)

e)

Figura 1-9. Comparación de límite líquido entre cuchara de Casagrande y penetrómetro con diferentes conos a) Británico b) Canadiense c) Colombiano d) Indio e) Ruso (Duarte y Rojas, 2017) García y Bicalho (2019) estudiaron diferentes condiciones en suelos de diferentes origen geológico y plasticidad, en donde concluyeron variaciones en el valor del límite líquido dependiendo de la mineralogía del suelo arcilloso y la dureza de la base de la cuchara de Casagrande (ver Figura 1-10 ).

10 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

a)

b)

Figura 1-10. Comparación de resultados para límite líquido obtenidos en penetrómetro de cono de caída y cuchara de Casagrande con diferentes bases. a) Base dura. b) Base blanda (García y Bicalho, 2019) De Paz et al. (2020) intentaron obtener una correlación entre los dos ensayos en la determinación de límite líquido, en donde pudieron obtener que para limos de alta compresibilidad existe un coeficiente de Pearson de correlación fuerte, mientras que los limos de baja compresibilidad poseen un coeficiente demasiado bajo, por lo que obtuvieron una ecuación de correlación de ambas metodologías del suelo de alta compresibilidad (ver Figura 1-11 ).

11 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

Figura 1-11. Correlación límite líquido para ambos métodos para un limo de alta compresibilidad (De Paz et al., 2020)

Pilatasig (2021) analizó los resultados de límite líquido, en donde al obtener una correlación buena (r = 0,81) entre ambas metodologías concluyó que el uso del penetrómetro de cono se puede considerar como un método factible y alternativo para obtener el límite líquido de suelos finos (ver Figura 1-12 ).

Figura 1-12 . Correlación límite líquido de Casagrande y límite líquido de penetrómetro de cono de caída para suelos finos (Pilatasig, 2021)

12 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún. Ramírez (2021) realizó un análisis estadístico comparativo, en donde mediante el método de los mínimos cuadrados estudió los valores de límite líquido obtenidos mediante ambos métodos, en donde logró determinar una correlación fuerte positiva (r = 0,8228) y con ello concluir que el penetrómetro es aceptable para obtener valores de límite líquido para suelos granulares con cierto porcentaje de material fino (ver Figura 1-13 ).

Figura 1-13 . Correlación límite líquido para ambos métodos en suelos granulares (Ramírez, 2021)

13 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

2

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1

El Suelo

2.1.1

Historia

En el siglo XVIII arquitectos e ingenieros, a partir de diferentes problemas relacionados con los suelos (el más conocido es la inclinación de la torre de Pisa) comenzaron a prestarle mayor interés a esta área desarrollando estudios técnicos del suelo. Diversos científicos realizaron investigaciones acerca de los suelos, entre ellos está Coulomb, (1773) el cual estudió sobre el empuje de tierras. Darcy (1856) estudió acerca de la permeabilidad de los filtros de arena definiendo el coeficiente de permeabilidad de los suelos. William Rankine (1857) estudió la presión de los suelos y el equilibrio de las masas. Boussinesq (1885) estudió sobre la teoría de distribución de esfuerzo bajo una carga. Atterberg (1911) se enfocó en las arcillas, determinando así propiedades fundamentales y parámetros para su estabilización, donde investigó la consistencia del suelo, además de los límites de consistencia. Bell (1915) estudió la presión lateral y la resistencia de las arcillas. Finalmente, Karl von Terzaghi (1925), considerado como el padre de la mecánica de suelos debido a sus estudios y avances realizados, publicó en Viena su tratado denominado “Erdbaumechanik” y la teoría de la consolidación de las arcillas (Cevallos, 2012).

2.1.2

Definición y origen

El suelo es un conjunto de partículas minerales, separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación de agua, originados por la desintegración mecánica y/o descomposición química de rocas preexistentes (Rico y Del Castillo, 2005). En este material se encuentra contenida agua, la cual debe ser considerada, ya que posee un papel fundamental en el comportamiento mecánico del suelo.

Al generarse la desintegración de las rocas y formarse el suelo, se generan dos casos:

• El material permanece en el lugar que se forman, es decir, in situ, generando los denominados suelos residuales.

14 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

• El material ha sufrido transporte por diferentes medios, tanto aluviales, fluviales, glaciales, entre otros, generando los llamados suelos transportados.

Los macizos rocosos preexistentes que constituyen la roca madre del suelo están sometidos a la acción ambiental disgregadora de la erosión en sus tres facetas:

• Física: debido a cambios térmicos y a la acción del agua, Estas acciones físicas tienden a romper la roca y a dividirla en fragmentos cada vez más pequeños. • Química: originada por fenómenos de hidratación, disolución, oxidación, cementación, etc. Esta acción tiende tanto a disgregar como a cementar, dando unión química a las partículas pequeñas, tamaño suelo, que se forman, aunque la mayor parte de las veces contribuye más a destruir y transformar que unir. • Biológicas: producidas por actividad bacteriana, induciendo putrefacciones de materiales orgánicos y mezclando el producto con otras partículas de origen fisicoquímico, actuando de elemento catalizador (González de Vallejo et al., 2004).

2.1.3

Componentes de un suelo

El suelo es un elemento trifásico, ya que puede estar compuesto por las fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida está compuesta por las partes minerales de los suelos; la fase líquida hace referencia al agua libre (aunque pudiesen existir otros líquidos en el suelo) y la fase gaseosa por el aire. Lo más común es que presente las tres fases (húmedo), sin embargo, puede estar compuesto por dos fases (seco o saturado), tal cual se ilustra en la Figura 2-1 .

b)

c)

a)

Figura 2-1 . Fases de un suelo. a) Fase saturada b) Fase húmeda c) Fase seca (Ordeñez et al., 2022)

La fase líquida y gaseosa se consideran dentro del volumen de vacíos, mientras que la fase sólida se considera como el volumen de los sólidos (ver Figura 2-2 ).

15 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.

Figura 2-2 . Diagramas de fases (De Paz et al. 2020)

2.1.4

Tipos de suelos

Los suelos se pueden clasificar según su modo de transporte y deposición o por el tamaño de las partículas que lo conforman. En relación con el modo de transporte y deposición se tienen los suelos que se describen en la Tabla 2-1.

Tabla 2-1. Tipos de suelos según su modo de transporte y deposición (Braja, 2014)

Tipo de suelo Suelos glaciales

Modo de transporte

Deposición

Mediante el hielo y agua

Glaciales compuestos por suelos heterogéneos

Suelos aluviales

A través de corrientes de agua

A lo largo de arroyos

Suelos lacustres

Mediante agua

Lagos de grano muy fino, a causa de la pequeña velocidad con la que fluye el agua en este ambiente

Suelos marinos

A través de corrientes de agua

Mares,

suelen

ser

estratificados

Suelos eólicos

A través del viento

Mediante el viento, el cual arrastra partículas desde limo hasta arenas gruesas

16 Evaluación del método de Casagrande y Penetrómetro de Cono de Caída para obtener el Límite Líquido en un suelo de origen volcánico de la comuna de Vilcún.