http://www.academia.edu/Documents/in/Casagrande_Vassiliev_relacion_entre_ensayo_ASTM_y_BSI_definicion_de_limite_liquido_resistencia_a

Casagrande, Vassiliev, relacion entre ensayo ASTM y BSI, definición de límite líquido, resistencia al cosrtante en el límite líquidoEL LÍMITE LÍQUIDO, UNA MEDIDA FLUIDA

Fabián Hoyos PatiñoIngeniero geólogo, M.S., Profesor Asociado, Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Nacional, Medellín, Colombia.Sandra LineroIngeniera Civil, D.I., Instructora Asociada, Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Nacional, Medellín, ColombiaDaniel Eduardo AriasIngeniero Civil. Ingeniero de Proyectos. Laboratorio de Geotecnia, Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Nacional, Medellín.

RESUMEN

ABSTRACTThe geotechnical literature is rich in operational definitions and correlations using the Liquid Limit. Nevertheless the Liquid Limit itself is an ill measured magnitude and, even worse, it can be said an ill defined one and all of those correlations need top be reviewed. The Liquid Limit of soils has been conventionally determined by two standardized methods: The Casagrande method of common usage in North America and the Vassilief method more popular in Europe. The ASTM recommended some years ago a flat grooving tool, designed by A.Casagrande, instead of the traditional curve one. The results using either one or another grooving tool consistently differ by an amount of 20%, being the larger ones those obtained with the flat grooving tool. The results obtained by the Vassilief method are identical to those obtained by the Casagrande method with the flat grooving tool up to a Liquid Limit amounting to 100. From this value up, the values of the Liquid Limit obtained by the Vassilief method are consistently lower than those obtained by the Casagrande Method using the flat grooving tool. The difference between the results obtained by these two methods ranges from 13 to 30%and is a linear function of the Liquid Limit itself measured with any of them. The observed differences may be explained by the geometry of the groove in the case of the Casagrande method, and by thyxotropic effects for the differences between the results given by the two discussed methodsfrom a value of the Liquid Limit of 100 and up. These differences call for a reexamination of the correations used in the geotechnical practice to be adjusted or normalized according with a more rigorous, could be said stiff, measure of the Liquid Limit.

1. INTRODUCCIÓN

El ensayo para determinar el Límite Líquido es uno de los más corrientes en los laboratorios de la mecánica del suelo. Durante decenios el Límite Líquido ha sido registrado en la casi totalidad de los informes geotécnicos como criterio de caracterización y de clasificación de suelos cohesivos o como dato de entrada para definir otras propiedades del suelo con base en correlaciones propuestas en la literatura. El Límite Líquido y el índice de plasticidad han sido utilizados en la definición operacional de la actividad del suelo (Skempton, 1953), en la estimación del potencial de expansión (Holtz, 1959, USBR, 1974), de la densidad Proctor (Eberle, 1966) y de la humedad óptima de compactación (Lo & Lovell, 1983), y han sido correlacionados con el coeficiente de compresibilidad (Skempton, 1944, Wroth & Wood, 1978, Vargas, ), con el coeficiente de consolidación (Lambe & Whitman, 1969) con la sensibilidad (Holtz & Kovacs, ), con la permeabilidad de los suelos finogranulares (Carrier & Beckmann, 1984), con las características de esfuerzo/deformación y resistencia (Bjerrum, 1972, Mesri, 1975) y las relaciones de esfuerzos en el suelo (Holtz & Kovacs, ), con el ángulo de fricción (Ladd et al, 1977, Horn, 1964), con la cohesión sin drenaje (Skempton, 1947, Carrier & Beckman, 1984, Wroth & Wood, 1978). El uso potencial de esta propiedad índice del suelo exige procedimientos muy cuidadosos en su determinación cuantitativa. Lamentablemente, la aparente simplicidad del procedimiento y el hecho se ser un ensayo de rutina en los laboratorios de geotecnia con frecuencia conduce a una actitud indolente por parte de los laboratoristas y supervisores que hace cuestionable la utilización de este dato en la estimación de propiedades del suelo a partir de las correlaciones propuestas en la literatura. El procedimiento propuesto por A. Casagrande en 1932 para la determinación del Límite Líquido ha sido adoptado prácticamente por todos los organismos de normalización en el mundo (Normas ASTM D 4318, BS 1377, DIN 18122, ICONTEC , INV ). En algunos países es utilizado en forma alternativa el procedimiento propuesto por Vassilief y normalizado por el BSI (BS 1377). Desde sus primeras notas sobre la ejecución y la reproducibilidad de este ensayo, el profesor Casagrande llamó la atención sobre su reproducibilidad que depende de las características del equipo y de las técnicas de ejecución (Casagrande, 1932, 1958, Norman, 1958) y anotó luego que estrictamente este es un ensayo de corte dinámico que no ofrece una base de comparación uniforme para los suelos finogranulares, al punto que recomendó su cambio por un ensayo de resistencia al cortante (Casagrande, 1958); este es justamente el principio en que se basa la determinación del Límite Líquido mediante el ensayo de penetración de la norma BS 1377.

El ranurador que se utilice en el ensayo con el método de Casagrande es uno de los elementos claves del equipo. Es común el uso de tres versiones de este instrumento: el ranurador plano que corresponde al diseño original de Casagrande, el ranurador plano de doble filo propuesto por Hovanyi (1958) y el ranurador curvo diseñado y propuesto por la ASTM pocos años después de la publicación de Casagrande en la que enunció su método para la determinación del Límite Líquido. Durante mucho tiempo se consideró que los resultados obtenidos con ambos ranuradores eran equivalentes (Tchebatorioff, 1951) aunque en Europa se mantuvo el uso del ranurados plano y se advirtió sobre la diferencia de resultados al utilizar un ranurador diferente (Jiménez Salas ). En las últimas versiones de la Norma ASTM D4318 se especifica el uso del ranurador plano y se anota que los resultados obtenidos en los ensayos en los que se utiliza el ranurador curvo son consistentemente menores que los obtenidos en los ensayos en los que se utiliza el ranurador plano. En este trabajo presentamos los resultados de un conjunto de ensayos de Límite Líquido que fueron replicados utilizando el método de Vassilief y los dos tipos más corrientes de ranuradores en el método de Casagrande, con el objeto de validar la equivalencia entre los diferentes métodos y establecer las relaciones cuantitativas a que haya lugar. La mayor parte de los ensayos fueron ejecutados en desarrollo de un proyecto de caracterización y tratamiento químico de suelos expansivos (Hoyos & Sánchez, 2000).

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALEl estudio cuyos resultados presentamos en este trabajo comprendió la determinación del Límite Líquido de un conjunto de 75 especimenes según los procedimientos de los métodos de Casagrande y Vassilief (Normas ASTM D4318 y BS1377).

2.1. MATERIALESLos especimenes utilizados en la investigación pueden ser agrupados en tres subconjuntos: uno, de 25 muestras naturales colectadas en el noroccidente colombiano, en depósitos aluviales cuaternarios, en formaciones sedimentarias del Terciario, y en depósitos de ladera derivados de anfibolitas, el segundo de 50 mezclas de caolín y bentonita en proporciones previamente determinadas, y un tercero de 9 muestras de bentonita. Las muestras fueron colectadas o preparadas buscando una cobertura completa de valores de Límite Líquido en un amplio intervalo.

2.2. PROCEDIMIENTOLa determinación según el método de Casagrande siguió estrictamente la Norma ASTM D4318. Adoptamos como criterio de aceptación de los resultados de un ensayo el hecho que el conjunto de pares de valores correspondientes al número de golpes y a la humedad (logN, w) tuviera un ajuste lineal con una correlación, r 2, mayor que 0.95. Cada ensayo fue ejecutado con ambos ranuradores. Sobre los mismos especimenes fue determinado el Límite Líquido según la norma BS 1377 Parte B. En este caso también adoptamos como criterio de aceptación de los resultados de un ensayo el hecho que el conjunto de pares de valores correspondientes a la penetración y a la humedad tuviera un ajuste lineal con una correlación, r 2, mayor que 0.95. Todos los especimenes fueron humedecidos durante un intervalo superior a 16 horas antes de la ejecución de los ensayos y la disminución de humedad se consiguió por evaporación del agua en el proceso de mezcla y amasado del suelo. Algunas muestras fueron analizadas para determinar su capacidad de intercambio catiónico.

3. RESULTADOS 3.1 Método de Casagrande: diferencias por uso de ranuradores

Al comparar los resultados de los ensayos con el método de Casagrande se encuentra una diferencia significativa y consistente entre los obtenidos con el ranurados plano y el ranurador curvo. En la Figura 1 se ilustra las relaciones entre los resultados de los ensayos de límite líquido ejecutados con uno y otro ranurador. Los resultados obtenidos con el ranurador curvo son sistemáticamente menores que los obtenidos con el ranurador plano; la diferencia puede ser expresada con las ecuaciones:LLcc = 0,83LLcp

LLcp = 1,20LLcc

Figura 1. Relación entre límites líquidos determinados con el método de Casagrande al utilizar raanurador curvo y ranurador plano.

3.2 Método de Cagrande vs método de VassiliefEl valor del límite líquido determinado con el método de Casagrande con ranurador plano es estadísticamente igual al valor del límite líquido determinado con el método de Vassilief para valores del límite líquido menores que 100. Para valores de Límite Líquido, determinados con el método de Casagrande con el ranurador plano, mayores que 100 la relación entre uno y otro resultado está dado por las ecuaciones:LLv = 0,67LLcp+17LLcp = 1,.50(LLv-17)En la Figura 2 se ilustra las relaciones entre los resultados de los ensayos de límite líquido ejecutados con uno y otro método.

Figura 2. Relaciones entre los resultados de los ensayos de límite líquido ejecutados con los métodos de Vassilief y Casagrande con ranurador plano.

La comparación de los resultados de los ensayos de ambos métodos cuando se utiliza el ranurador curvo en el método de Casagrande puede ser expresado con las ecuaciones siguientes:LLv = 1,20LLcc para valores de LL cc < 100LLv = 0,90LLcc para valores de LL cc > 100LLcc = 0,83 LLv para valores de LL v < 125LLcc = 1,11 LLv para valores de LL v >125

En la Figura 3 se ilustra las relaciones entre los resultados de los ensayos de límite líquido ejecutados con uno y otro método.

Figura 3. Relaciones entre los resultados de los ensayos de límite líquido ejecutados con los métodos de Vassilief y Casagrande con ranurador curvo.

4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS.Los resultados que presentamos en el numeral anterior no son sorprendentes. Su mérito puede ser el de conseguir la cuantificación de enunciados que se encuentran en la literatura geotécnica en forma cualitativa (ASTM D 4318-93, Casagrande 1958, Jiménez Salas). La diferencia de resultados en el método de Casagrande según sea ejecutado con un ranurador curvo o uno plano ha sido explicada como un efecto de la altura de la ranura que queda bien definida con el ranurador plano pero no así con el ranurador curvo. La diferencia de altura del borde de la ranura puede ser 50% o más entre el ranurador plano y el ranurador curvo. La mayor altura de la ranura hace más inestable el pequeño talud que se forma en el borde de la ranura y hace que el suelo fluya con un contenido de humedad menor que en los casos en que la ranura es hecha con el ranurador plano. El resultado presentado aquí tiene interés en la medida en que permitiría unificar los valores de Límite Líquido refiriéndolos todos a un mismo ranurador.

Los resultados de las determinaciones con el penetrómetro de cono tampoco son sorprendentes. Es de esperar que las medidas de una misma propiedad con dos métodos diferentes sean comparables, en particular cuando uno de los métodos ha sido desarrollado primero que el otro. La coincidencia de los resultados en un amplio intervalo de valores indica simplemente que el diseño del penetrómetro de cono es apropiado. La sorpresa resulta en la discontinuidad que se observa a partir del valor 100 del Límite Líquido donde la relación 1:1 entre los resultados de uno y otro método no se conserva y los valores obtenidos con el penetrómetro son consistentemente menores que los obtenidos con el método de Casagrande con ranurador plano. Aquí vuelve a resonar la advertencia de Casagrande sobre la limitación de su método que no da una base de comparación uniforme para suelos finogranulares que difieren en su reacción cuando son sometidos a un ensayo de dilatancia.

Las notorias diferencias entre los resultados de los ensayos de Límite Líquido con los métodos de Casagraande y Vassilief tienen bases físicas relativamente simples:- Los suelos que tienen un Límite Líquido elevado presentan un comportamiento tixotrópico, vale decir pueden presentar variaciones temporales en su resistencia al cortante que es mínima durante el proceso de amasado y se incrementa cuando el suelo se encuentra en reposo. Dado que el tiempo de ejecución del ensayo, después de preparado el especímen, es mayor en el método de Casagrande que en el de Vassilief, es lógico encontrara un valor mayor de Límite Líquido con el primer método que con el segundo. - La determinación del Límite Líquido con el método de Casagrande es más dispendioso a

medida que aumenta el valor del Límite Líquido y los errores operacionales son mas probables en comparación con el método de Vassilief. El tiempo de ejecución después de preparada la muestra es menor en el método de Vassilieff que en el de Casagrande.

- Se pueden presentar variaciones importantes en la resistencia al cortante desde la superficie hacia el interior de la masa de suelo debido a los cambios de humedad que pueden presentarse entre la preparación del espécimen y la ejecución del ensayo que son mayores en la cazuela de Casagrande que en el recipiente del ensayo con el penetrómetro. La humedad cerca de la superficie es menor y la resistencia al cortante mayor. El efecto sobre el flujo en el ensayo de Casagrande es mayor que sobre la resistencia media a la penetración en el ensayo de Vassilief. Tal variación de la humedad superficial da lugar a la variación de la resistencia media al cortante y en los valores de Límite Líquido medidos con uno y otro método. La diferencia de área expuesta en los recipientes de los instrumentos utilzados en el ensayo hace que el tiempo de ejecución sea crítico en el primer método y menos en el segundo.

CONCLUSIONES.Las variaciones mostradas en este trabajo en el valor del Límite Líquido según sea el método o el instrumento utilizado en su determinación obliga a revisar cuidadosamente las correlaciones que son hoy de uso frecuente en la mecánica del suelo. Diferencias posibles del orden del 20% y hasta del 50% a en el valor de una de las variables de una correlación, en

razón solamente del método de ensayo utilizado para determinarla, hacen muy discutible su validez, por decir lo menos.

Los resultados de esta investigación hacen pensar que más allá de las limitaciones operacionales conviene hacer énfasis en la definición conceptual del Límite Líquido. Éste ha sido definido como el contenido de agua de un suelo remoldeado correspondiente al límite entre sus estados plástico y líquido de consistencia . A esta definición corresponden las actuales definiciones operacionales que no son apropiadas para la definición de esta importante propiedad del suelo . Un examen cuidadoso de las definiciones operacionales y de los datos presentados en este trabajo así lo indican. Si se toma como definición de Límite Líquido el contenido de agua con el cual una masa de suelo remoldeada y cortada con un ranurador de dimensiones estándar fluye hasta unirse en una distancia de 13 mm bajo el impacto de 25 golpes en un aparato normalizado para la determinación del límite líquido. (Normas ASTM D653 y D4318), o el contenido de agua de un suelo remoldeado que puede ser penetrado 20 mm, en un lapso de 5 segundos, con un cono de masa y dimensiones normalizadas (Norma BS 1377), no hay una propiedad o característica real del suelo contra la cual se pueda contrastar la medición que resulte de aplicar la definición operacional. Pero puede darse una definición conceptual que involucra la resistencia al cortante del suelo como la condición de un suelo que presenta una resistencia al corte, sin drenaje, de 2 kPa. Esta definición unívoca exigiría que el método de ensayo utilizado para determinarlo permita obtener el contenido de humedad con el que el suelo presenta dicha resistencia. Aparentemente el método de Vassilief presenta un mayor potencial para ofrecer una medición del límite líquido que se ajuste a esta definición.

Las correlaciones presentadas en este trabajo pueden ser útiles para convertir los valores utilizados en las correlaciones de uso corriente a una base común. Dada las diferencias que pueden presentarse en los valores del Límite Líquido, los métodos utilizados corrientemente no pueden ser considerados como equivalentes. Es necesario en consecuencia que en todo informe o artículo en el que se registre valores de Límite Líquido se incluya como dato relevante el métodoutilizado para determinarlo, y el tipo de ranurador cuando se trate del método de Casagrande.

REFERENCIASASTM D4318Atterberg, 1911, Die Plastizität der Tone, Internazional Mitteilunge fur Bodenkunde 1, s.10.BS 1377Carrier, W. F. & Beckmann, J.F., 1984, Correlaion between Index Tests and the Properties of Remoulded Clays, Geotechnique, 34, pp 221 – 228.Casagrande, A., 1932, A Research on the Atterberg limitsof Soil, Public Roads, 13, 121 ss.Casagrande, A., 1958, Notes on the Design of the Liquid Limit Device, Geotechnique, 8, 2, pp 84-91.DIN 18122 Teil 1, 1976: Untersuchung von Boden proben. Zustandgrenzen (Konsistenzgrenzen), Bestimmung der Fliess und Rollengrenzen.Eberle, H., 1966, Zusammenhang zwischen and w mit dem Plastizitätgrenzen, Diplomarbeit TU München, 1966.Holtz, & Kovacs, Introduction to Geotechnical EngineeringHorn, A., 1964, Die Schertfestigkeit von Scluff Forschungsberichte des Landes Nordrhein-Westfalen, Westdeutscher Verlag, Köln.Hovanyi, Hoyos Patiño, F., 2001, Geotecnia, diccionario básico, Hombre Nuevo Editores, 190 p, Medellín.ICONTECINVLadd, C.C., Foott, R., Ishihara, K., Schloser, F. & Poulos, H.G. 1977, Stress-Deformation and Strength Characteristics, Proceedings IX International Conference SMFE, Tokyo, 2, pp421 - 494.Lambe, T.W. & Whitman, R.V., 1969, Soil Mechanics, John Wiley, N.York.Lo, Y.K & Lovell, C.W., 1983, Prediction of Soil Properties from Simple Indices, Transportation Research Record, 873, pp 43 – 49.Norman, L.E.J, 1958, A comparison of values of Liquid Limit determined with apparatus having bases of different hardness, Geotechnique, 8, 2, pp 79 - 83.Skempton, A.W., 1953, The Colloidal “Activity” of Clays, Proceedings 3 International Conference SMFE, Zurich, 1, pp 30 – 53. Tchebatorioff,Vargas