TAREA 4

PROCEDIMIENTO RÁPIDO Y CONFIABLE PARA LA

DETERMINACIÓN DEL LIMITE LIQUIDO DE SUELOS FINOS

(RESUMEN)

OBJETIVO.

Comparar los resultados que se obtienen a través de la copa de Casagrande (ASTM D 4318) y un

horno de convección (ASTM D 2216) en la determinación de límite líquido de diversas muestras de

suelos finos, con los resultados que se obtienen si se utiliza un cono sueco y un horno de

microondas.

ALCANCES.

Obtener el límite líquido de diversas muestras de suelo por los medios tradicionales (copa

de Casagrande y horno de convección).

Obtener el límite líquido de las mismas muestras de suelo que para los métodos

tradicionales, utilizando un cono sueco y un horno de microondas.

Comparar resultados obtenidos y

Comentar la factibilidad del uso del método alternativo para la obtención de Límite Líquido

propuesto por Mendoza y Orozco.

INTRODUCCIÓN.

De acuerdo con el contenido de agua en un suelo fino, se reconocen cuatro estados de

consistencia: sólido, semisólido, plástico y líquido. A las fronteras entre estos estados se les llama

límites de consistencia y son respectivamente, de contracción, plástico y líquido; los dos últimos se

conocen como límites de plasticidad.

El límite líquido y el índice plástico, definido como la diferencia entre el límite líquido y el límite

plástico, constituyen una medida cualitativa de la compresibilidad y de la plasticidad de un suelo

fino. La principal razón para determinar estas propiedades índice es la clasificación de los suelos

finos, de acuerdo con el SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de suelos); adicionalmente,

estas propiedades proporcionan información muy valiosa acerca de las propiedades mecánicas de

los suelos, tanto desde el punto de vista estático como del dinámico, mediante correlaciones

semiempíricas. Entre estas correlaciones pueden citarse las que existen entre el límite líquido y el

índice de compresibilidad o entre el índice plástico y el ángulo de fricción interna en la ecuación de

Coulomb para la resistencia cortante efectiva (Terzaghi y Peck, 1967). Más recientemente se ha

comprobado (Dobry y Vucetic, 1987; Romo, 1995, entre otros), la influencia del índice plástico en la

tasa de degradación del módulo cortante dinámico de los suelos con la distorsión creciente, o de la

reducción del cociente de amortiguamiento conforme aumenta el índice plástico

ANTECEDENTES O MARCO TEORICO.

TECNICAS PARA DETERMINAR EL LÍMITE LIQUIDO.

Técnica de la copa de Casagrande. La prueba ideada por Atteberg (1911), para obtener el límite

líquido era simple y ahora puede juzgarse como rudimentaria. Consideraba que al cerrarse una

ranura hecha en la muestra de suelo contenida en una cápsula por la acción de 10 golpes ligeros

sobre una mesa, el suelo se encontraba en el límite líquido. Partiendo de la idea de Atteberg,

Casagrande (1932), desarrolló un equipo para determinar el límite líquido de una forma más

consistente (copa de Casagrande). Esta prueba consiste en hacer cuatro diferentes

determinaciones del contenido de agua, necesaria para que una ranura hecha en una muestra de

suelo contenida en la copa se cierre 13 mm (1/2”) al girar la manivela a una velocidad aproximada

de 2 golpes por segundo (ASTM D 4318).

Técnica del cono penetrante. El primer antecedente que se tiene de la técnica es el cono sueco o

“cono que cae” y fue presentado en 1915 por John Olsson a la comisión geotécnica de los

ferrocarriles estatales suecos (Bjerrum y Flodin, 1960), y que en un principio se usó para la

medición de la resistencia cortante, se estableció que cuando un cono con un ángulo en su ápice

de 60° y 60 g de masa, penetrara 10 mm en el suelo, indicaba que este se encontraba en el límite

líquido. Más tarde, como alternativa de la copa de Casagrande se adoptó un cono estándar con

ápice de 30° y masa de 80 g (Sherwood y Ryley, 1970; BS 1377, 1990). El límite líquido del suelo

se define como el contenido de agua cuando la penetración del cono es de 20 mm. La penetración

del cono se da cuando al dejarlo libre de su apoyo o sujetador, inicialmente en estado de reposo y

su punta tocando la superficie enrasada del suelo, cae por peso propio y penetra en la masa de

suelo por ensayar.

Independientemente de la técnica adoptada para determinar el límite líquido, tradicionalmente se

utiliza un horno de convección para el secado de las muestras, esto implica que deberán pasar

varias horas para tener resultados. Mendoza y Orozco (1999), proponen el uso de un horno de

microondas, de acuerdo con la norma ASTM D 4643, para obtener en poco tiempo (cerca de 45

min) el contenido de agua de las muestras.

Suelos ensayados. Se ensayaron suelos típicos de las cuatro regiones principales de la carta de

plasticidad, entre los cuales se encuentran diversas mezclas de kaolín y bentonita, arcillas

lacustres de la ciudad de México y arcillas marinas del golfo de México.

Equipo utilizado. La copa de Casagrande que fue utilizada, así como el ranurador plástico que se

utilizó en este estudio fueron de acuerdo con la norma ASTM D 4318. el cono utilizado fue un

prototipo mexicano con las características del cono sueco, pero con un diseño propio, puesto que

el sistema de apoyo fue solucionado por medio de una bobina eléctrica que evita que el cono

ejerza presión sobre el suelo antes de ajustar la altura (figura 1). La penetración del cono se mide

por medio de una escala milimétrica calificada y se estima a 0.1 milímetros. El límite líquido se

define como el contenido en agua que el suelo tiene cuando el cono sueco penetra 10 milímetros.

Algunas pruebas se realizaron con un cono inglés. El límite líquido para este dispositivo

corresponde al contenido en agua del suelo cuando este cono penetra 20 milímetros.

Figura 1. Prototipo mexicano del cono sueco.

METODOLOGÍA.

Uso de una copa de Casagrande y un horno de convección para la determinación del límite líquido,

por un lado y por otro lado, el uso de un cono sueco y un horno de microondas.

DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS.

Los resultados para límite líquido obtenidos por los métodos de cono y copa de Casagrande,

secados con horno de convección, se presentan en la tabla 1. Estos resultados se muestran en

figura 2, definiendo dos rangos, de 0 a 100%, y de 0 a 400% para el contenido de agua en el límite

líquido de los suelos ensayados. Se trazó el mejor ajuste de regresión para cada gráfico, de tal

forma que se puede apreciar fácilmente que en el rango de 45% a 400%, los límites líquidos

obtenidos con el cono sueco son generalmente más bajos que los de la Copa de Casagrande,

mientras ocurre lo contrario para los límites líquidos más bajos que 45%. Es significativo que los

valores logrados con estas dos técnicas, están correlacionados linealmente. La tabla 2 resume los

parámetros de las líneas de regresión, que son comparables a las dadas por Karlsson (1981) para

los suelos suecos; los coeficientes de correlación (r) eran casi iguales a la unidad. El método de

prueba con los conos es más simple y más rápido que con el dispositivo de percusión; además,

han probado (Karlsson 1981, Mendoza 1990) que sus resultados son menos influenciados por el

operador, de hecho, la copa de Casagrande tiene un número más grande de variables que se

deben controlar por el operador.

Por otro lado, se presentan los resultados obtenidos con el horno de microondas para el secado de

las muestras en figura 3, y se incluyen también en la tabla 2. Se puede observar que para el mismo

intervalo de límites líquidos, los parámetros de las líneas de regresión casi son iguales para ambos

tipos de secado.

Tabla 1. Límites líquidos obtenidos por percusión (Copa de Casagrande) y cono sueco.

LIMITE LIQUIDO (%), Horno de convección

SUELO Método de Percusión

Cono Sueco

1 Kaolin 1 (CL) 35.50 40.40

2 Kaolin 2 (CL) 48.37 51.06

3 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 10/90 60.00 58.00

4 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 10/90 62.50 60.00

5 Bento 1 / Kao 1 Mezcla20/80 91.00 80.50

6 Bento 1 / Kao 1 Mezcla20/80 94.50 84.50

7 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 30/70 118.00 100.00

8 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 40/60 146.50 120.00

9 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 50/50 169.50 137.50

10 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 60/40 194.00 155.00

11 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 70/30 220.00 175.00

12 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 80/20 249.70 199.00

13 Bento 1 / Kao 1 Mezcla 90/10 276.00 215.00

14 Bentonita 1 (CH) 355.00* 255.00*

15 Bentonita 2 (CH) 280.74 197.46

16 Arcilla de la ciudad de México, Tlahuac 223.61 184.60

17 Arcilla de la ciudad de México, Av F del Paso 389.00 325.00

18 Arcilla de la ciudad de México, Iglesia SAA 346.34 303.19

19 Presa La Peña (CH) 84.40 80.20

20 Presa La Peña (CH) 70.23 65.50

21 Ebano (CH) 75.61 73.31

22 Presa Chicoasen (SC) 30.20 33.00

23 Presa Chicoasen (SC) 31.90 33.10

24 Presa Chicoasen (SC) 31.60 32.78

25 San Vicente (SM) 31.70 33.90

26 San Vicente (SM) 32.90 34.00

27 San Vicente (SM) 30.61 33.31

28 Presa Necaxa (MH) 77.40 76.60

29 Presa Necaxa (MH) 78.60 85.33

30 Ek-Balam (CH) 74.21 70.27

31 Akal-DO-B (CH) 69.63 62.68

32 M8 Conso (CH) 93.02 85.13

33 M-10 (CL) 39.06 39.55

34 S-1 M-30 (CL) 46.81 45.52

* secado en horno de microondas

Tabla 2. Parámetros de las líneas de regresión correlacionando los límites líquidos obtenidos por el

método de percusión y conos

WL cono = b W L copa + a

Método de

secado

Rango de

WL copa (%)

Cantidad de Pruebas r b a

Copa de Casagrande – Cono sueco

Convección 30-390 33 0.99342 0.77191 10.71

30-100 22 0.98743 0.85473 7.10

Microondas 30-390 28 0.99036 0.74752 12.07

30-100 17 0.98584 0.86311 6.51

Copa de Casagrande – Cono inglés

Convección 30-350 9 0.98937 0.83224 13.28

30-100 6 0.97139 1.06555 1.84

Microondas 30-350 9 0.98930 0.82589 13.72

30-100 6 0.96776 1.05340 2.45

Figura 2. Correlación entre los límites líquidos obtenidos con los métodos de percusión y cono

secados en un horno de convección.

Figura 3. Correlación entre los límites líquidos obtenidos con los métodos de percusión y cono

secados en un horno de microondas.

COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS CON RESPECTO A LOS RESULTADOS ESPERADOS.

Los valores del límite líquido obtenidos con la copa de Casagrande difieren de los determinados

con el cono, sin embargo, se ha comprobado a través de campañas experimentales amplias con

suelos representativos de las cuatro porciones principales de la carta de plasticidad que se tienen

correlaciones lineales entre los resultados de la técnica tradicional y los procedimientos alternativos

propuestos, con coeficientes de correlación muy cercanos a la unidad, con alguna dispersión leve,

los datos experimentales están dentro del intervalo de confianza del 98%, por lo que se puede

afirmar que para fines prácticos, la correlación entre los límites líquidos obtenidos con la copa de

Casagrande y el cono sueco y secando las muestras con el horno de microondas da los mismos

resultados que con el horno de convección.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

La principal razón para determinar el límite líquido es la clasificación de los suelos finos, de

acuerdo con el SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de suelos), tradicionalmente el límite

líquido se obtiene por el método de Casagrande, que consiste en hacer cuatro diferentes

determinaciones del contenido de agua, necesaria para que una ranura hecha en una muestra de

suelo contenida en la copa se cierre 13 mm (1/2”) al girar la manivela a una velocidad aproximada

de 2 golpes por segundo y la humedad se determina por medio de un horno de convección.

Mendoza y Orozco (1999), proponen el uso de un prototipo mexicano del cono sueco para

determinar el límite líquido y un horno de microondas, para obtener en poco tiempo (cerca de 45

min) el contenido de agua de las muestras. Se ensayaron suelos típicos de las cuatro regiones

principales de la carta de plasticidad y se trazó el mejor ajuste de regresión, encontrando que en el

rango de 45% a 400 %, los límites líquidos obtenidos con el cono sueco son generalmente más

bajos que los de la Copa de Casagrande, mientras ocurre lo contrario para los límites líquidos más

bajos que 45%. Sin embargo, se comprobó que se tienen coeficientes de correlación muy cercanos

a la unidad, por lo que se puede afirmar que para fines prácticos, la correlación entre los límites

líquidos obtenidos con la copa de Casagrande y el cono sueco y secando las muestras con el

horno de microondas da los mismos resultados que con el horno de convección.

REFERENCIAS.

Mendoza, M.J. and Orozco, M., (2001), “Quick and Reliable Procedure for Liquid Limit

Determination of Fine –Grained Soils”, Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 24, No. 1,

March 2001, pp. 103-108.