Estudio de la capacidad portante de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero

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(1)Trabajo de Diploma. Estudio de la capacidad portante de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. Autor: Eliezer Castillo Martínez Tutor: Dr. Ing. Luis Orlando Ibañez Mora. Facultad de Construcciones. Departamento de Ingeniería Civil. 2010.

(2) Índice Resumen .................................................................................................................................... I Introducción ............................................................................................................................... II Capítulo I Revisión Bibliográfica ................................................................................................. 1 1.1 Resumen .......................................................................................................................... 1 1.2 Introducción ...................................................................................................................... 1 1.3 Capacidad de carga de pilotes en roca............................................................................. 2 1.3.1 Resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca ................................................. 2 1.3.2 Resistencia por punta de pilotes empotrados en roca ...............................................14 1.4 Pruebas de carga en pilotes ............................................................................................17 1.5 Expresiones Dinámicas ...................................................................................................20 1.5.1 Fórmula del Engineering News Record (ENR) ..........................................................20 1.5.2 Design Manual DM 7.2, 1982 ....................................................................................24 1.6 Conclusiones Parciales ...................................................................................................25 Capítulo II. Estudio Teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina gaviota. Varadero 26 2.1 Resumen .........................................................................................................................26 2.2 Introducción .....................................................................................................................26 2.3 Planteamiento del problema ............................................................................................26 2.4 Estudio de los informes ingeniero geológicos ..................................................................27 2.4.1 Trabajos Geofísicos ..................................................................................................27 2.4.2 Datos tomados del Informe de GeoCuba. Año 2008 .................................................31 2.5 Procesamiento de los parámetros de suelo .....................................................................35 2.5 Análisis de los resultados de la hinca de Pilote ...............................................................37 2.5.1 Cálculo de capacidad de carga basada en fórmula FHWA modificada Gates ...........37 2.5.2 Capacidad de carga del Pilote aplicando la expresión de GERSEVANOV ................38 2.5.3 Capacidad de carga del Pilote aplicando la expresión del DELMAG .........................39.

(3) 2.5.4. Cálculo de la capacidad de carga de Pilotes en Roca. Propuesta de Norma Cubana ..........................................................................................................................................39 2.6 Análisis de los resultados de los ensayos de carga ........................................................42 2.7 Conclusiones parciales ....................................................................................................52 Capítulo III. Aplicación a un problema real. ...............................................................................53 3.1 Resumen .........................................................................................................................53 3.2 Introducción .....................................................................................................................53 3.3 Análisis de la capacidad de carga de los pilotes de la marina Gaviota. ...........................53 3.3.1 Trabajo realizados.....................................................................................................53 3.3.2 Modelación de la prueba de carga ............................................................................61 3.3.3 Análisis de los resultados ..........................................................................................67 3.3.4 Calibración de los resultados ....................................................................................68 3.4 Conclusiones ...................................................................................................................72 Conclusiones ............................................................................................................................73 Recomendaciones ....................................................................................................................73 Bibliografía ................................................................................................................................74.

(4) Pensamiento.

(5) Pensamiento Si me ofreciesen la sabiduría con la condición de guardarla para mí sin comunicarla a nadie, no la querría. Lucio Anneo Nietzsche (1844–1900) Filosofo alemán..

(6) Agradecimientos.

(7) Agradecimientos El autor desea agradecer el apoyo brindado por el Dr. Ing. Luis Orlando Ibañez Mora por la confección del trabajo, a mis familiares por el apoyo brindado y a todos los que de una forma u otra me han brindado ayuda..

(8) Dedicatoria.

(9) Dedicatoria A mi Padre: Por los principios inflexibles que han guiado su vida, por dar valor a todas las cosas. A mi Madre: Por haberme guiado por caminos de inquietud intelectual, por su magnífica devoción a la familia..

(10) Resumen.

(11) Resumen. Resumen En este trabajo se realizará un estudio y crítica de las expresiones para determinar la capacidad de carga de pilotes en roca así como de las expresiones dinámicas para la determinación de la capacidad de carga en pilotes. También se hará un estudio y critica de los métodos para la realización de ensayos de carga in-situ en pilotes. Para esto es necesario desarrollar una búsqueda bibliográfica con el fin de que nos permita realizar un análisis adecuado para el desarrollo de la tesis. Para la realización de este trabajo también se hará un estudio de los informes ingeniero geológicos tanto de los informes de GeoCuba como de la ENIA realizados, haciendo énfasis en la descripción de los suelos según las calas tomadas en el terreno de la marina Gaviota de Varadero. A través del procesamiento de los parámetros de suelo se harán tablas resúmenes para a partir de de la roca obtener los parámetros resistentes. Se realizará también un análisis de los resultados de la hinca de los pilotes por distintas fórmulas así como análisis de los resultados de los ensayos de carga. Después de realizado todo la anterior expuesto se hará un análisis de la capacidad de carga de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero, explicando los resultados preliminares de las tareas de hinca de los pilotes y las calas realizadas en el lugar. Se explicará también la modelación de la prueba de carga realizada a los pilotes, con la realización de un análisis y calibración de los resultados, arribando a conclusiones y recomendaciones finales del trabajo.. I.

(12) Introducción.

(13) Introducción. Introducción En muchas ocasiones las estructuras deben construirse sobre terrenos cuya capacidad portante en superficie es insuficiente para soportar las cargas de apoyo. En dichos casos se necesitan sistemas de cimentación profunda que transmitan las cargas de apoyo a zonas más profundas del terreno dotadas de la capacidad portante adecuada. Las cimentaciones basadas en pilotes son uno de los sistemas de cimentación profunda más frecuentemente utilizados. Los pilotes reciben las cargas de la estructura y las transmiten al terreno por rozamiento a lo largo de su fuste o por punta como consecuencia del apoyo directo del extremo del pilote en capas más profundas y resistentes del terreno. En Cuba su uso está estrechamente vinculado a obras ubicadas en zonas costeras y a cimentaciones en puentes. En estos momentos se están realizando varias construcciones dentro del sector del turismo en todo el país, uno de los principales sectores en la economía. Dentro de estas construcciones se encuentra la obra que se lleva a cabo en la Marina Gaviota ubicada en Varadero, uno de los centros turísticos más importantes de Cuba, y de gran importancia para la economía del país, por lo que es de gran necesidad la eficiencia y calidad de estas obras. Debido a la compleja estratificación desde el punto de vista geológico, con gran variedad en los perfiles de suelo y la mala calidad del terreno de la superficie donde está ubicada la Marina Gaviota se utilizará el sistema de cimentación profunda mediante pilotes. Dada la gran responsabilidad estructural de los pilotes, resulta fundamental determinar la capacidad de carga de los mismos. Para esto se hará una correlación entre los resultados del ensayo de carga y la modelación realizada a los pilotes. Planeamiento y definición del problema Existe una estratificación muy variable y compleja donde está ubicada la Marina Gaviota, además de la mala calidad portante en la superficie del terreno. En estos casos se necesitan sistemas de cimentaciones profundas, para transmitir las cargas de la estructura a zonas más profundas del terreno que tengan una capacidad portante adecuada. Dada la gran responsabilidad estructural que cae sobre los pilotes y esta estratificación muy variable y compleja desde el punto de vista geológico que posee el terreno donde se construirá esta obra, es necesario el estudio y determinación de la capacidad de carga de los pilotes de la Marina Gaviota. Hipótesis Utilizando los métodos numéricos y expresiones clásicas de la Mecánica de Suelos, se pueden modelar y estimar la capacidad de carga de las cimentaciones sobre pilotes, y estimar su comportamiento geotécnico, todo lo cual queda avalado por la realización de pruebas de carga a escala real, lo cual permite establecer las cargas de trabajo de la cimentación. Objetivos Para el desarrollo de la investigación se consideró el siguiente objetivo general: Determinar la capacidad de carga de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. Para ello se realizará una. II.

(14) Introducción. modelación con las expresiones clásicas de Mecánica de suelos para el pilote aislado y una prueba de carga in situ. Para darle cumplimiento al objetivo general anterior se desarrollaron los siguientes objetivos específicos. 1. Realizar una búsqueda bibliográfica relacionada con las cimentaciones sobre pilotes. 2. Determinar la capacidad de carga de los pilotes en la Marina Gaviota. 3. Realizar una prueba de carga in situ de los pilotes en la Marina Gaviota. 4. Definir la capacidad de explotación de los pilotes. Tareas de investigación Para dar cabal cumplimiento a los objetivos antes planteados se realizarán las siguientes tareas de investigación:  Búsqueda bibliográfica sobre los métodos para determinar la capacidad de carga de los pilotes.  Proposición de metodologías para el cálculo de capacidad de carga de los pilotes.  Realizar análisis comparativo entre la capacidad de carga de los pilotes calculada y la prueba de carga in situ de los pilotes de la Marina Gaviota  Propuesta de metodología del cálculo de capacidad de carga de los pilotes  Aplicaciones Metodología de la Investigación Para realizar la actual investigación se define las siguientes etapas, las cuales se complementan entre sí. Etapa I: Definición de la problemática. Definición del tema y problema de estudio. Recopilación bibliográfica. Formación de la base teórica general. Planteamiento de las hipótesis. Definición de los objetivos. Definición de tareas científicas. Redacción de la introducción. Etapa II: Revisión bibliográfica Estudio, análisis y crítica de los últimos adelantos científicos relacionados con el tema. Redacción del Capítulo I. Etapa III: Propuesta de la metodología a utilizar en la determinación de la capacidad de carga del pilote. - Evaluación de las metodologías utilizadas para la determinación de capacidad de carga de pilotes aislados. Redacción del Capítulo II.. III.

(15) Introducción. Etapa IV: Aplicación. - Estudio de la tarea técnica - Modelación del pilote - Realización de la prueba de carga in situ - Calibración del modelo - A partir de los resultados obtenidos establecer la capacidad resistente de la estructura. Redacción del capítulo III Novedad Científica En este trabajo se pretende reunir todos los criterios para el cálculo de la capacidad de carga de los pilotes. Los aspectos novedosos son: 1. Se realizara por primera vez el cálculo de la capacidad de carga de los pilotes en Varadero. 2. Se concentra en un solo documento las tendencias actuales para la capacidad de carga de los pilotes. Campo de Aplicación. Después de finalizado el trabajo se contará con un documento donde se incluirán soluciones más racionales y factibles para el cálculo de la capacidad de carga de pilotes. Para el país, inmerso en la construcción de obras turísticas en zonas costeras, sin duda alguna tendrá una gran repercusión. Serán las Empresas de Proyecto las primeras en beneficiarse con los resultados de la investigación y su puesta en práctica. La revisión bibliográfica realizada formará parte de una monografía de uso en la docencia que permite a los estudiantes y profesionales del sector una mejor comprensión del comportamiento de las cimentaciones sobre pilotes. Estructura de la Tesis El orden y estructura lógica del trabajo se establece a continuación:  Resumen  Introducción  Capitulo І: Estado del arte. En este capítulo se realizará un estudio y crítica de las expresiones para determinar la capacidad de carga de pilotes en roca así como de las expresiones dinámicas para la determinación de la capacidad de carga en pilotes. También se hará un estudio y critica de los métodos para la realización de ensayos de carga in-situ en pilotes.  Capítulo II: Modelación, prueba de carga.. IV.

(16) Introducción. En este capítulo se realizará un estudio de los informes ingeniero geológicos tanto de los informes de GeoCuba como de la ENIA, haciendo énfasis en la descripción de los suelos según las calas tomadas en el terreno de la marina Gaviota de Varadero. A través del procesamiento de los parámetros de suelo se harán tablas resumes para a partir de de la roca obtener los parámetros resistentes. Se realizara también un análisis de los resultados de la hinca de los pilotes por distintas fórmulas así como análisis de los resultados de los ensayos de carga.  Capítulo III: Aplicación a un problema real En este capítulo se muestra el procesamiento de la tarea técnica, estudio de los perfiles de suelo, la modelación de la prueba de carga mediante expresiones clásicas y realización de la prueba de carga. También se hará una correlación de los resultados del ensayo de carga y la modelación. Se mostraran recomendaciones sobre la capacidad de los pilotes hincados..    . Conclusiones. Recomendaciones. Bibliografía. Anexos.. V.

(17) Capítulo 1.

(18) Estado del arte. Capítulo I. Capítulo I Revisión Bibliográfica 1.1 Resumen En este capítulo se realizara un estudio y crítica de las expresiones para determinar la capacidad de carga de pilotes en roca así como de las expresiones dinámicas para la determinación de la capacidad de carga en pilotes. También se hará un estudio y critica de los métodos para la realización de ensayos de carga in-situ en pilotes. Para esto fue necesario desarrollar una búsqueda bibliográfica con el fin de que nos permita realizar un análisis adecuado para el desarrollo de la tesis. 1.2 Introducción La capacidad de una cimentación sobre pilotes para soportar cargas o asentamientos, depende de forma general de la resistencia por el fuste del pilote y de la resistencia por la punta del mismo. Para el caso que analizaremos es específico ya que son pilotes hincados en roca, y esto lo diferencia de la capacidad de carga de los pilotes no hincado en roca. En casos de responsabilidad donde se requieran garantías excepcionales es recomendable realizar pruebas de carga sobre los pilotes construidos. Éstas pueden ser destructivas y no destructivas. Los cálculos asociados al estudio de las cimentaciones profundas son poco precisos, y por ello, la realización de pruebas de carga “in situ” resulta especialmente recomendable. Las pruebas de carga deben realizarse sobre pilotes de tamaño semejante (longitud y diámetro) a aquéllos a cuyo estudio vayan a aplicarse los resultados; de esa forma no será necesario introducir imprecisiones importantes a la hora de considerar el efecto escala. Las pruebas de carga deben realizarse sobre pilotes construidos en terrenos semejantes (preferiblemente, en la propia obra) al caso en estudio y, sobre todo, deben ser construidos con técnicas análogas. La máxima utilidad de los ensayos de carga “in situ”, se obtiene cuando los pilotes ensayados son los propios pilotes cuyo comportamiento se quiere conocer, pero el ensayo sobre los propios pilotes de obra, sin embargo, impide alcanzar la carga de rotura, ya que si esta se alcanza sería destructiva. La medida de cargas y movimientos, debidamente interpretada, conduce a un conocimiento bastante preciso de la resistencia por punta y fuste. Las fórmulas de hinca de pilotes tratan de relacionar la capacidad portante de un pilote con su resistencia al hincado. Aunque desacreditadas por muchos ingenieros, las fórmulas de hinca todavía se utilizan en el sitio, como una verificación de las predicciones de diseño utilizando la mecánica de suelos. No se recomienda el empleo de las fórmulas de hinca en el diseño de pilotes; sin embargo, a pesar de sus limitaciones puede utilizarse para ayudar al ingeniero a evaluar las condiciones del terreno en un pilotaje, revelando probablemente variaciones que no fueron aparentes durante la investigación de campo. Las capacidades de carga de pilotes determinadas en base a las fórmulas de hincado no son siempre confiables. Deben estar apoyadas por experiencia local y ensayos; se recomienda precaución en su utilización.. 1.

(19) Estado del arte. Capítulo I. 1.3 Capacidad de carga de pilotes en roca 1.3.1 Resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca 1.3.1.1Teorías existentes Se distinguen, en principio, dos grandes grupos para la evaluación de la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca. En uno se calcula su valor como función lineal de la resistencia a compresión simple; mientras que en el otro grupo si obtiene a partir de la raíz cuadrada de dicha resistencia a compresión simple (σc). Además, y como casos particulares, se consideran otras teorías cuyas expresiones no responden a ninguna de las dos formas de cálculo de la resistencia última por fuste indicadas anteriormente: Normativa DIN 4014 (1980). Williams y Pells (1981). Serrano y Olalla (2004; 2006). Por último, completando a los distintos modelos existentes que permiten obtener la resistencia por fuste como función lineal de la resistencia a compresión simple, se estudia la formulación propuesta por Jiménez Salas et al. (1981) para el cálculo de dicha resistencia por fuste. 1.3.1.1.1 Resistencia por fuste como función lineal de la resistencia a compresión simple Torne (1977) propone los siguientes valores mínimo y máximo para el cálculo de la resistencia por fuste: exp. 1.1 Poulos y Davis (1980) establecen una resistencia admisible por fuste de 0.05 σc. Suponiendo un coeficiente de seguridad de 3, se obtiene una resistencia última de 0.15 σ c, proporcionándose además una resistencia última de 0.45 MPa para el caso de rocas que no estén meteorizadas: exp. 1.2 Tanto en esta teoría como en las formuladas a continuación, se considera un coeficiente de seguridad de 3. Aunque se trata de un valor elevado respecto del coeficiente de seguridad de 2.5 usado tradicionalmente para la evaluación de la resistencia por fuste, en el análisis comparativo la resistencia última por fuste se ha obtenido siempre multiplicando el valor de la carga admisible por 3. La formulación ofrecida por Hooley y Lefroy (1993) solamente es aplicable para rocas fuertemente meteorizadas, con una resistencia a compresión simple muy baja, inferior a 0.25 MPa: exp. 1.3 2.

(20) Estado del arte. Capítulo I. Resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca como función lineal de la resistencia a compresión simple: f(σc) τult = α·σc Autores. Fecha. Coeficiente α. Limitaciones. Observaciones. Thorne. 1977. 0,05 → 0.1. -. Propone un valor mínimo y otro máximo para τult. Poulos & Davis. 1980. 0,15. Hooley & Lefroy. 1993. 0,3. ult. < 0,45 MPa. σc < 0,25 MPa. Para rocas no muy meteorizadas, se consideran ult = 0,45 MPa Solamente aplicable a rocas fuertemente meteorizadas. Cuadro Resumen 1. Resistencia por fuste de pilotes en roca. 1.3.1.1.2 Resistencia por fuste como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple La resistencia aportada por el fuste de un pilote a lo largo de su empotramiento en roca puede ser también obtenida como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple: ). exp. 1.4. Rosenberg y Journaux (1976) proponen la siguiente expresión: exp. 1.5 Dicha fórmula solamente puede ser usada con rigor para pilotes de diámetros comprendidos entre 200 y 610 mm y empotrados en un tipo específico de roca: pizarra. Posteriormente, Horvath et al (1983) deducen una nueva expresión, que para empotramientos realizados en argilitas ó rocas similares con diámetro de pilote entorno a los 710 mm adopta la forma: exp. 1.6 Si la pared del pilote presenta una cierta rugosidad, el correspondiente aumento en la resistencia por fuste del pilote empotrado en roca considera mediante la fórmula: exp. 1.7. 3.

(21) Estado del arte. Capítulo I. En caso de que la superficie de contacto pilote-terreno sea muy rugosa, se puede considerar la siguiente expresión, para tener en cuenta el aumento de la resistencia por fuste: exp 1.8 Wyllie (1991) proporciona una resistencia última por fuste comprendida entre los siguientes valores: exp. 1.9 Para pilotes empotrados en rocas suficientemente blandas, con σc < 0.5 MPa, Fleming et al. (1992) proponen considerar una resistencia última por fuste de: exp1.10 Hooley y Lefroy (1993) establecen para rocas alteradas blandas como las pizarras, limonitas y argilitas, con 0.25< σc <3.0 MPa, el siguiente límite inferior de resistencia: exp.1.11 Ambos autores indican además que el límite superior aceptable debe ser menor o igual a:. Kulhawy y Phoon (1993) establecen el siguiente límite superior: exp. 1.12 Lo definen para superficies de contactos terreno-pilotes muy rugosas, incluso con rugosidad provocada artificialmente. Para las rocas consideradas por estos autores como blandas, con σc ≤ 5MPa, se establece el mínimo valor para dicha resistencia última por fuste: exp. 1.13. Carubba (1997) también considera la variación de la resistencia última por fuste entre dos valores: exp. 1.14 Zhang y Einstein (1998) aplican coeficientes mayores Para la determinación de dichos valores: exp. 1.15. 4.

(22) Estado del arte. Capítulo I. Resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca como función de la raíz cuadrada de la resistencia a 1/2 compresión simple: f(σc ) τult = α·σc Autores. Fecha. Rosenberg & Journaux. 1976. Coeficiente α. 0,375. Limitaciones En pilotes de diámetro entre 210 · 610 mm, empotrados en pizarras. En pilotes de 710 mm de diámetro (aprox). en argilitas o similares.. Horvath et al.. 1983. 0,2 / 0,3. Rowe & Armitage. 1987. 0,45 / 0,6. -. Wyllie. 1991. 0,4 → 0,6. -. Fleming et al.. 1992. 0,4. σc < 0,50 MPa. Hooley & Lefroy. 1993. 0,15 → 0,4. 0,25 < σc < 3,00 MPa en pizarras, lutitas y argilitas.. Kulhawy & Phoon. 1993. 0,22 → 0,67. -. Carubba. 1997. 0,13 → 0,25. -. Zhang & Einstein. 1998. 0,4 → 0,8. -. Observaciones. -. Si la pared del pilote presenta cierta rugosidad, se considera un coeficiente de 0,3 Si la superficie de contacto pilote – terreno es muy rugosa, se considera un coeficiente de 0,6 Establece un límite inferior y otro superior. Aplicable solo a rocas suficientemente blandas Aplicable sobre rocas alteradas y blandas El coeficiente superior, para superficies de contacto pilote – terreno muy rugosos. El inferior, para rocas blandas. Establece un límite inferior y otro superior. Establece un límite inferior y otro superior.. Cuadro resumen 2. Resistencia por fuste de pilotes en roca.. 1.3.1.1.3 Casos singulares Dentro de las teorías existentes sobre resistencia última por fuste de pilotes empotrados en roca, se pueden añadir a las anteriormente descritas cuatro casos especiales o singulares. En el método de cálculo propuesto por Serrano y Olalla (2004; 2006), el exponente que opera con la resistencia a compresión simple varía entre los valores de 0.5 y 1, dependiendo del valor del tipo de roca, de la resistencia a compresión simple, del grado de fracturación y alteración del macizo rocoso y de las profundidades del trabajo del pilote.. 5.

(23) Estado del arte. Capítulo I. 1.3.1.1.3.1 Normativa DIN 4014 (1980) La Normativa DIN 4014 (1980) establece la siguiente correspondencia entre valores de la resistencia a compresión simple de la roca de empotramiento y la resistencia última por fuste ( ult): σc (MPa). ult. (MPa). 0,5. 0,08. 5. 0,5. 20. 0,5. Tabla 1.1 Correpondencia entre σc y. ult.. Ajustando los valores proporcionados mediante una curva del tipo. , para el. tramo de 0.5 a 5 MPa la mejor aproximación se obtiene considerando los parámetros y α=0.14 y β=0.8. 1.3.1.1.3.2 Williams y Pells (1981) Williams y Pells (1981) consideran una ley no lineal para la definición de dicha resistencia a partir de dos parámetros adicionales, α y β, que tienen en cuenta tanto la calidad de la roca (RQD) como la resistencia a compresión simple de la misma (σc). Establecen la siguiente relación no lineal entre la resistencia última unitaria por fuste de la parte del pilote empotrada en roca y la resistencia a compresión simple de la misma:. exp. 1.16 Los parámetros α y β que intervienen en la expresión se estiman a partir de correlaciones empíricas establecidas por Williams, Johnston y Donald (1980). Aunque estos autores realizan sus estudios para un tipo de roca específica como es la lutita de Melbourne, los gráficos que proporcionan para la determinación de ambos coeficientes también pueden ser aplicados a otras masas rocosas blandas con las siguientes características: 0.6 MPa ≤ σc ≤ 12.5 MPa Según una curva ajustada a los resultados obtenidos empíricamente por Williams, Johnston y Donald (1980), nos permite estimar el denominado factor adhesión “α” a partir de la resistencia a compresión simple de la roca sana, El Factor de reducción de la resistencia por fuste, β, es función del factor de la masa rocosa “j” tal y como su puede observar en Gannon et al. (1999) siendo j el “Factor de Masa” obtenido como cociente del módulo de deformabilidad de de la masa rocosa (Em) y el módulo de la roca intacta (E). 6.

(24) Estado del arte. Capítulo I. Calidad de la roca. RQD. Frecuencia de fractura (*) (por metro). Factor de masa j. Muy mala Mala Regular Buena Excelente. 0 – 25 25 – 50 50 – 70 75 – 90 90 – 100. > 15 15 – 8 8–5 5–1 1. 0,2 0,2 0,2 – 0,5 0,5 – 0,8 0,8 – 1,0. (*) La frecuencia de fractura viene dada por el número de discontinuidades por metro de longitud del testigo de sondeo de la masa rocosa. Tabla 1.2. Tabla de Gannon et al (1999) El factor “j” puede ser estimado a partir de la calidad en la roca. En la tabla de Gannon et al (1999), se relaciona dicho factor con el RGD de la masa rocosa (tabla 1.2). El módulo de deformabilidad de la masa rocosa (Em) debe estar comprendido entre los siguientes valores: 100 MPa ≤ Em ≤ 1000Mpa 1.3.1.1.3.3 Método de Jiménez Salas et al. (1981) Para poder estimar según este método la resistencia última por fuste, ult, de un pilote empotrado en roca, se ha de calcular previamente la resistencia unitaria por la base del pilote.. La resistencia por la base o punta del pilote viene definida por la expresión: exp. 1.17. Siendo α´ un coeficiente menor o igual que uno y que tiene en cuenta la longitud del pilote empotrado en roca (De), el diámetro de la perforación (B) y la naturaleza del sustrato rocoso de empotramiento (β´): exp. 1.18 Los valores propuestos para el parámetro adimensional β´ varían de 0.3 en el caso de rocas metamórficas como las pizarras, filitas y esquistos hasta los 0.8 alcanzados por rocas sedimentarias como las calizas y areniscas compactas. Para rocas ígneas como el granito, la diabasa o la granodiorita, se recomienda un valor intermedio de β´=0.6.. 7.

(25) Estado del arte. Empotramiento. 1 3 5 12. Capítulo I. Rocas metamórficas β´= 0,3. Rocas ígneas β´= 0,6. Rocas sedimentarias β´= 0,8. 0.10 0.15 0.23 0.38. 0.20 0.30 0.45 0.50. 0.27 0.40 0.50 0.50. NOTA: α´ no puede ser mayor que uno Tabla 1.3. Empotramiento en función de β´. Una vez obtenida la resistencia por la base del pilote, la resistencia por fuste de la parte empotrada en roca se considera igual a la mitad de dicho valor: exp. 1.19 La resistencia última por fuste adopta por tanto la expresión: exp. 1.20 Esta expresión resulta linealmente dependiente del empotramiento (De / B) del pilote, de tal manera que, en función del tipo de roca, la resistencia a compresión simple de la misma (σc) por el valor que corresponda de la tabla 1.3. 1.3.1.1.3.4 Método de Serrano y Olalla (2004; 2006) Partiendo del criterio de resistencia de Hoek y Brown (1980) para el estado tensional en rotura de la roca, serrano y Olalla (1994) expresan de forma paramétrica dicho criterio dicho criterio de rotura, en función del ángulo de rozamiento instantáneo ρ y de los parámetros β (Modulo de Resistencia) y ξ (Coeficiente de Tenacidad) siendo:. exp. 1.21. exp. 1.22 Donde m, s y GSI, (análogo, a grandes rasgos, en su valor al RMR básico), son los conocidos parámetros definidos por Hoek y Brown. Se supone que sólo hay resistencia por fuste en la superficie del pilote empotrada en roca, considerando por tanto la no contribución de la resistencia por fuste de los suelos que pudieran encontrase por encima de la roca. La posible contribución de la punta del pilote tampoco se tiene en cuenta.. 8.

(26) Estado del arte. Capítulo I. El método considera que la resistencia del contacto roca pilote es equivalente a la de la roca. Ello implica la no existencia de alteración, ni modificación o perturbación en la superficie de la roca en contacto con el fuste del pilote, además de una resistencia del material del pilote (generalmente hormigón o acero) superior a la de la roca. Las tensiones horizontales (σh) que actúan sobre el fuste se calculan según la expresión: exp. 1.23 Donde K0 es un coeficiente de proporcionalidad y σv cuantifica las tensiones verticales que se desarrollan a lo largo del fuste. Ha de existir una longitud mínima de pilote atravesando la roca a fin de garantizar la movilización de las tensiones de corte propuestas por el método. Para rocas duras, dicha longitud de empotramiento debe ser superior a 0.5 m, mientras que para rocas blandas ha de ser mayor de 2.5 m (DIN 4014). 1.3.1.2 Normativa Española Fundamentalmente son cuatro los Códigos Normativos que existen en España y que definen como valorar la resistencia por fuste de un pilote perforado en roca. ROM 0.5-94: Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas (1994). GCOC: Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras (2004). ROM 0.5-05: Recomendaciones Geotécnicas para obras Marítimas (2005). CTE: Código Técnico de la Edificación (2006). Tanto el nuevo Código Técnico de la Edificación (CTE) como la guía de Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas en su versión anterior (ROM 0.5-94) considerar la resistencia por fuste como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple (σc). La Guía de cimentaciones en Obras de Carreteras (GCOC) y la guía ROM en su última versión (ROM 0.5-05) incorporan nuevos parámetros para la descripción del macizo rocoso de empotramiento, aunque los hacen también función lineal de la resistencia a compresión simple. 1.3.1.2.1 ROM 0.5-94: Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas (1994) La ROM 0.5-94 recomienda utilizar la siguiente fórmula para el cálculo de la resistencia por fuste como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple. exp. 1.24 Estando expresada tanto la resistencia última por fuste ( simple (σc) en MPa.. ult). como la resistencia a compresión. 9.

(27) Estado del arte. Capítulo I. En el caso de que la resistencia por fuste así obtenida sea superior a 0.5 MPa, se ha de adoptar dicho valor (0.5 MPa) como resistencia última por fuste del pilote empotrado en roca. 1.3.1.2.2 GCOC: Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (2004) Según esta normativa, para que el estrato de empotramiento del pilote pueda ser considerado realmente como roca, han de concurrir las siguientes condiciones: σc (resistencia a compresión simple de la roca sana) ≥ 1 MPa RQD ≥ 10 Grado de meteorización de la roca (según la escala ISRM) ≥ 3 Si no se produjera alguna de las tres condiciones, el sustrato pasaría a ser tratado como un suelo, aplicando el procedimiento descrito para estos casos por la propia Guía para el cálculo de la resistencia unitaria por fuste. Cuando la zona de empotramiento del pilote pueda ser considerada como roca, la resistencia por fuste se calcula según la expresión: exp. 1.25 Siendo qq es la resistencia unitaria por punta que corresponde a la roca, obtenida a partir de: exp. 1.26 siendo: exp. 1.27 pvadm: presión admisible, en MPa, para la cimentación superficie roca. σc: resistencia a compresión simple de la roca sana en MPa. pp: presión de referencia. Se toma un valor de 1 MPa. α1: parámetro que es función del tipo de roca. Se valor puede calcularse a partir de la resistencia a tracción simple de la roca o tracción indirecta, aunque su forma más habitual de estimación sea a partir de una tabla proporcionada por la propia Guía, donde adopta los valores de 0.4; 0.6; 0.8 ó 1 en función del tipo de roca. α2: coeficiente en función del grado de meteorización de la roca. Se estima partir de la Tabla 3.3 de la Guía, adoptando los valores de 0.5; 0.7 ó 1 cuando el grado de meteorización sea de III; II ó I respectivamente. α3: coeficiente que es función del espaciamiento existente entre litoclasas dentro del macizo rocoso. La Guía proporciona la siguiente fórmula para su estimación:. 10.

(28) Estado del arte. Capítulo I. exp. 1.28 En el caso de que el sustrato tenga que considerarse como un suelo por el incumplimiento de alguna de las tres condiciones anteriormente indicadas, la presión vertical admisible (pvadm) se calcula según el criterio establecido por la Guía para cimentaciones superficiales en suelos. Se usa entonces la expresión polinómica clásica conocida coloquialmente por el nombre de uno de sus autores, Brinch-Hansen. Esta fórmula se basa en la teoría de la plasticidad y viene afectada por diversos factores de corrección empíricos que tienen en cuenta tanto la geometría de la cimentación como las características geotécnicas del terreno. 1.3.1.2.3 ROM 0.5-05: Recomendaciones geotécnicas para Obras Marítimas (2005) Para poder considerar el estrato de empotramiento como roca, esta normativa utiliza las dos primeras condiciones establecidas anteriormente por la GCOC (2004), referentes a una resistencia a compresión simple (σc) mayor o igual que 1 MPa y un valor de RQD mayor o igual que 10 La tercera condición (que en el caso de la GCOC consistía en la definición del grado de alteración máximo admisible por el estrato de empotramiento para que éste pudiera seguir siendo considerado como roca) viene definida en la ROM 0.5-05 (2005) como una separación o espaciamiento mínimo entre litoclasas por debajo del cual la fracturación del terreno impide que pueda ser tratado como roca: s (espaciamiento entre litoclasas) ≥ 0.1 m Si no se produjera alguna de las tres condiciones, el sustrato pasaría a ser considerado entonces como un suelo, pudiendo aplicarse la fórmula analítica para el cálculo de ult en suelos cohesivos a largo plazo proporcionada por la ROM 0.5-05. Si se cumplen las tres condiciones de forma simultánea, se aplica el procedimiento descrito por la ROM 0.5-05 en su Capítulo III, “Criterios Geotécnicos”, Apartado 3.6.4.6 “Cimentaciones con pilotes en roca”. Según dicho apartado, la resistencia por fuste de pilotes en roca ha de ser contabilizada solamente en zonas donde el grado de alteración sea inferior o igual a III, en cuyo caso se considera la siguiente expresión para el cálculo de la resistencia unitaria por fuste ( ult): exp. 1.29 pvh es la presión vertical de hundimiento que corresponde a la roca del fuste. Su valor se obtiene de la siguiente fórmula, debiendo ser inferior a 15 MPa: exp. 1.30. 11.

(29) Estado del arte. Capítulo I. siendo: pr: presión de referencia. Se considera igual a 1 MPa. σc: resistencia a compresión simple de la roca sana expresada en MPa. fD: factor de reducción debido al diaclasamiento de la roca. Se toma el valor mínimo obtenido de las dos expresiones siguientes:. exp. 1.31. exp. 1.32 donde: s:. espaciamiento entre litoclasas. Se recuerda que cuando s < 0.10 m, este método no es aplicable. B*: ancho equivalente de la cimentación. Para el caso de cálculo de la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca, se ha de considerar igual al diámetro. B0: ancho de referencia. Se considera un valor igual a 1 m. RQD: índice de fragmentación de la roca. Cuando sea inferior al 10%, el procedimiento de cálculo aquí descrito deja de ser válido. f A: factor de reducción debido al grado de alteración de la roca. Adopta los valores de 1; 0.7 ó 0.5 según que el grado de meteorización de la roca sea I; II; III respectivamente. fδ: factor que tiene en cuenta la inclinación de la carga. Para el caso concreto del cálculo de la resist. por fuste de pilotes empotrados en roca adopta un valor igual a 1. 1.3.1.2.4 CTE: Código Técnico de la Edificación (2006) En el Apartado F.2.4, Punto 4, del Anexo F del Documento “Seguridad Estructural. Cimientos” del CTE, Parte I, se establece que dentro de zona de roca, para la evaluación de la resistencia por el fuste de pilotes perforados, debe considerarse un valor de cálculo de la resistencia unitaria igual a: exp. 1.33 Donde el valor de la resistencia a compresión simple de la roca intacta (σc) viene especificado en MPa. Se debe verificar siempre que la roca sea estable en agua. 1.3.1.3 Normativa Internacional Dentro de la Normativa de ámbito internacional, se pueden distinguir los siguientes códigos o Manuales que pueden ser usados en la valoración de la resistencia por fuste de un pilote empotrado en roca: Código de Pilotes Australiano (1980). Manual de Ingeniería de Cimentaciones del Canadá (1985).. 12.

(30) Estado del arte. Capítulo I. Normativa AAHSTO (1997; 1998). Eurocódigo 7: Proyecto Geotécnico (1999). 1.3.1.3.1 Código de Pilotes Australiano (1980) En el Borrador del Código de Pilotes Australiano, citado en Williams et al. (1980), la resistencia admisible por fuste del pilote empotrado en roca viene dada por la expresión: exp. 1.34 Aplicándole a dicha expresión un coeficiente de seguridad de 3 se obtiene: exp. 1.35 1.3.1.3.2 Manual de Ingeniería de Cimentaciones del Canadá (1985) Este Manual establece una resistencia última por fuste comprendida entre los siguientes valores extremos: exp. 1.36 1.3.1.3.3 Normativa AAHSTO (1997; 1998) El Manual de la AAHSTO (1997) recomienda los siguientes límites inferior y superior: exp. 1.37 Posteriormente, en las AASHTO, “Standard Specifications for Highways Bridges” (1998) se establece un doble criterio para la estimación de la resistencia por fuste de la parte del pilote empotrada en roca, dependiendo de que la resistencia a compresión simple de dicha roca sea menor o igual que 1.9 MPa. De esta forma, si la resistencia a compresión simple de la roca donde se empotra el pilote es menor o igual que 1.9 MPa se ha de considerar la expresión: exp. 1.38 1.3.1.3.4 Eurocódigo 7: Proyecto Geotécnico (1999) Dentro de los distintos Eurocódigos Estructurales existentes, el “Eurocódigo 7: Proyecto Geotécnico” constituye una norma de aplicación a aspectos geotécnicos del proyecto de obras de edificación e ingeniería civil. En la Parte 3 del mismo, referente al “Proyecto asistido por ensayos de campo”, se proporciona un método de evaluación de la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca. Se propone para ello un método semiempírico de evaluación de evaluación de carga límite del pilote indirectamente, a partir de los resultados de ensayos presiométricos.. 13.

(31) Estado del arte. Capítulo I. Según sea la presión límite (PLM) obtenida con estos ensayos, se considera las siguientes categorías para tres tipos de sustrato rocoso (calizas, margas o rocas meteorizadas en general) definidos en la tabla mostrada a continuación: Tipo de roca. Categoría. PLM (MPa). A B C A B A. < 0,7 1,0 – 2,5 > 3,0 1,5 – 4,0 > 4,5 2,5 – 4,0. B. > 4,5. Calizas Margas Rocas meteorizadas. Tabla 1.4. Categoría para tres tipos de sustratos rocosos. Tipo de pilote: Hormigonado a baja presión Tipo de roca Categoría Curva. Calizas A 2. B 3. Rocas meteorizadas. Margas C 4. A 5. B 5. -. Tabla 1.5. Selección de curvas de proyecto por resistencia unitaria del fuste. En función del tipo de pilote (hormigonado a baja presión), la resistencia unitaria por fuste se obtiene utilizando la curva del grafico de resistencia unitaria por fuste para pilotes cargados axialmente, correspondiente al tipo de roca y categoría que se hayan definido. La selección de dicha curva se realiza en la Tabla “Selección de curvas de proyecto por resistencia unitaria del fuste (tabla 1.3), conforme al criterio establecido. En la medida en que este procedimiento se basa en los resultados del ensayo presiométrico y no utiliza los valores que se obtienen respecto de la resistencia a compresión simple, no se va a utilizar para efectuar el estudio comparativo, dadas las dificultades que planta su equiparación. 1.3.2 Resistencia por punta de pilotes empotrados en roca En algunas ocasiones los pilotes se hincan hasta un estrato subyacente de roca. En tales casos, el ingeniero debe evaluar la capacidad de carga de la roca. La resistencia unitaria última de punta en roca (Goodman, 1980) es: exp. 1.39. 14.

(32) Estado del arte. Capítulo I. Donde: qu: ø:. resistencia a compresión no confinada de la roca ángulo de fricción drenado. La resistencia a compresión no confinada de la roca se determina por medio de pruebas en el laboratorio sobre especímenes de roca obtenidos durante investigaciones de campo. Sin embargo, debe procederse con extremo cuidado al obtener el valor apropiado de qu porque los especímenes de laboratorio son usualmente pequeños en diámetro. Conforme el diámetro del espécimen crece, la resistencia a compresión no confinada decrece, lo que se denomina “efecto de escala”. Para especímenes mayores que 3 pies (1m) de diámetro, el valor q u permanece aproximadamente constante. Parece haber una reducción de cuatro o cinco veces la magnitud de qu en este proceso. El efecto de escala en rocas es principalmente causado por fracturas pequeñas y grandes distribuidas aleatoriamente y también por rupturas progresivas a lo largo de planos de deslizamiento. Por consiguiente siempre se recomienda que: exp. 1.40 La tabla de resistencia típica a compresión no confinada de rocas, da valores (de laboratorio) representativos de resistencias a compresión no confinada de rocas. Valores representativos del ángulo, ø, de fricción de rocas se dan en la tabla de valores típicos del ángulo de fricción, ø, de rocas. Tipo de roca Arenisca Caliza Lutita Granito Marmol. lb/pulg2. qu MN/m2. 10000 – 20000 15000 – 30000 5000 – 10000 20000 – 30000 8500 – 10000. 70 – 140 105 – 210 35 – 70 140 – 210 60 – 70. Tabla1.6. Resistencia típica a compresión no confinada de rocas. Tipo de roca. Ángulo de fricción, ø (grados). Arenisca. 27 – 45. Caliza. 30 – 40. Lutita. 10 – 20. Granito. 40 – 50. Marmol. 25 – 30. Tabla1.7. Valores típicos del ángulo de fricción, ø, en rocas. 15.

(33) Estado del arte. Capítulo I. 1.3.2.1 Propuesta de Norma Cubana La Norma Cubana establece para la resistencia en punta de los tipos de pilotes: hincados, encamisados, rellenables y perforadores, los cuales se apoyan en suelos rocosos o poco compresibles (Eo > 100000 kPa) la fórmula: Q*V=R*·AP. (kN). exp. 1.41. donde: AP: área de apoyo del pilote (m2) que se asume para los casos de pilotes de sección transversal constante e igual al área neta de la sección transversal para pilotes encamisados, huecos, cuando estos no son rellenados con hormigón. Si hay relleno con hormigón será igual al área bruta de la sección transversal, siempre que bicho relleno alcance una altura mayor o igual a 3D (b). R*: resistencia a compresión no confinada de los núcleos de roca (kPa), que se asume de la forma siguiente: (*) Para pilotes encamisados, perforados o de huecos rellenados de hormigón apoyados en suelos rocosos se determina por la expresión siguiente:. R*. Ksq·R. ·dR. gR. (kPa). exp. 1.42. donde:. R : valor promedio de la resistencia límite a compresión axial del suelo rocoso en condiciones de humedad natural (en relación con el diámetro: altura de la muestra igual a dos, 2). γgR: coeficiente de seguridad para los suelos igual a γgR=1.6.. dr. 1 0 .4. LE D. 3 .5 exp. 1.43. LE: profundidad de embebimiento del pilote obturado en la roca. Se asume igual a la profundidad de empotramiento (m). D: diámetro exterior de empotramiento en el suelo rocoso.. 16.

(34) Estado del arte. Valores de RQD. Espaciamiento de las discontinuidades (m). Ksq. 25< RQD ≤ 50 50< RQD ≤ 75 75< RQD ≤ 90 90< RQD ≤ 100. 0.06-0.2 0.2-1.6 1.6-2.0 >2.0. 0.1 0.3 0.75 1.0. Capítulo I. Tabla 1.8. Valores de Ksq. RQD: índice de calidad de la roca, se define como el porcentaje de recuperación de pedazos de núcleos de rocas mayores de 10cm de longitud con respecto a la longitud del sondeo. RQD= Longitud de los pedazos de núcleo de 10cm / longitud del sondeo. 1.3.2.2 Otros autores Capacidad Portante Ultima por Punta, q máx.. Autor. f(RQD) (5 a 8)σc (1) 3 σc 2.7 σc 4.5 σc≤10Mpa JcNcr 3 σc Ksp D (3 a 6.6) (σc)^0.5. Valor medio=4.8 Nms* σc (S^0.5+(m S^0.5+ S)^0.5) σc. Peck y otros,1974 Teng,1962 Coates,1967 Rowe and Armitage,1987 Argema,1992 Kulhawy y Goodman,1980 Canadian foundation engineering Manual,CGS,1992 Zhang y Einstein,1998 AASHTO,1989 Hoek y Brown,1980. Tabla 1.9. Resistencia ultima por punta de pilotes empotrados en roca 1.4 Pruebas de carga en pilotes En la mayoría de los grandes proyectos, un número específico de pruebas de carga debe llevarse a cabo sobre pilotes. La razón principal es la falta de confiabilidad en los métodos de predicción. La capacidad de carga vertical y lateral de un pilote debe probarse en el campo. El método más seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayoría de los lugares, es la prueba de carga [Juárez (1975), Sowers (1977), Paulos y Davis (1980), Jiménez (1986), Lambert (1991), Fellenius (2001), Vega Vélez (2005)]. Dentro de ella se han desarrollado la prueba de asiento controlado (controlando el incremento de asiento o a una velocidad de asiento constante) y la prueba con carga controlada (incremento de carga constante en el tiempo o asiento mínimo para un incremento de carga). Este último es el más usado, ya que permite determinar la carga última cuando se ha movilizado la resistencia del suelo que se encuentra bajo la punta y rodeando al pilote.. 17.

(35) Estado del arte. Capítulo I. En esencia, estas pruebas, no son más que experimentar a escala real, un pilote, para procesar su comportamiento bajo la acción de cargas y determinar su capacidad de carga. Precisamente, su inconveniente fundamental estriba en su elevado costo y en el tiempo requerido para realizarla. Sowers (1977), recomienda que los resultados del ensayo son una buena indicación del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan después de un período de tiempo. Jiménez (1986) muestra preocupación ya que el pilote de prueba puede representar o no la calidad de los pilotes definitivos. Otra limitación planteada por este autor radica en que la prueba de carga se realiza generalmente a un solo pilote y se conoce que el comportamiento de un grupo es diferente al de la unidad aislada. La figura 1, que se muestra a continuación, muestra un diagrama esquemático de un ensayo de carga en pilotes para probar la compresión axial en el campo. La carga se aplica al pilote por medio de un gato hidráulico. Cargas por etapas se aplican al pilote y se permite que pase tiempo suficiente después de cada aplicación de manera que ocurra una pequeña cantidad de asentamiento. El asentamiento de los pilotes se mide por medio de deformímetros. La cantidad de carga por aplicar en cada etapa variará, dependiendo de los reglamentos locales de construcción. La mayoría de los reglamentos requieren que cada etapa de carga sea aproximadamente igual a un cuarto de la carga de trabajo propuesta. La prueba debe efectuarse por lo menos a una carga total de dos veces la carga de trabajo propuesta. Después de alcanzarse la carga deseada en el pilote, éste es descargado gradualmente. Viga. Gato hidráulico Deformímetro Viga de referencia. Pilote de anclaje. Pilote de prueba Figura 1 Ensayo de Carga. La figura 2 muestra un diagrama carga – asentamiento obtenido de una carga y descarga de campo. Para cualquier carga, Q, el asentamiento neto del pilote se calcula como sigue:. 18.

(36) Estado del arte. Cuando Q = Q1 Asentamiento neto, sneto(1) = st(1) – se(1) Cuando Q = Q2 Asentamiento neto, sneto(2) = st(2) – se(2) Donde sneto: asentamiento neto se: asentamiento elástico del pilote mismo Q1 st: asentamiento total. Q2. Capítulo I. Carga Q. st(1) st(2). Proceso de carga se(1). se(2). Proceso de descarga Asentamiento Figura 2 Diagrama carga - asentamiento. Estos valores de Q se indican en una gráfica contra el asentamiento neto correspondiente sneto, como se muestra en la figura 3. La carga última del pilote se determina con esta gráfica. El asentamiento del pilote crece con la carga hasta cierto punto, más allá del cual la curva carga – asentamiento se vuelve vertical. La carga correspondiente al punto que la curva Q versus sneto se vuelve vertical es la cara última, Qu, del pilote. En muchos casos, la última etapa de la curva carga – asentamiento es casi lineal, mostrando un grado amplio de asentamiento para un pequeño incremento de carga. La carga última, Qu, para tal caso se determina del punto de la curva Q versus sneto donde empieza esta porción lineal empinada. Carga Q. Qu Qu. 1. 2. Asentamiento neto, snet Figura 3 Diagrama carga - asentamiento. 19.

(37) Estado del arte. Capítulo I. El procedimiento de prueba de carga antes descrito requiere la aplicación de cargas por etapas sobre los pilotes así como la medición del asentamiento y se llama ensayo de carga controlada. La otra técnica usada para una prueba de carga en pilotes, tasa de penetración a velocidad constante, la carga sobre el pilotes es continuamente incrementada para mantener una velocidad constante de penetración, que varía de 0.01 a 0.1 pulg/min (0.25 a 2.5 mm/min). Esta prueba da una gráfica carga – asentamiento similar a la obtenida con la carga controlada. Otro tipo de prueba es la carga cíclica en la que una carga incremental es repetidamente aplicada y retirada. Las pruebas de carga sobre pilotes empotrados en arena se conducen inmediatamente después que se hincan los pilotes. Sin embargo, cuando están empotrados en arcilla, debe tenerse cuidado al decidir el lapso de tiempo entre el hincado y el principio de la prueba de carga. A modo de conclusión podemos plantear que la prueba de carga es un método bastante seguro en la determinación de la carga última de los pilotes, siempre que se proporcione el mismo grado de calidad al pilote en prueba y al definitivo, pero es muy costoso y por esto se toman otras alternativas en la medición de la capacidad de carga. 1.5 Expresiones Dinámicas Parta desarrollar la capacidad de carga deseada, un pilote de punta debe penetrar suficientemente el estrato denso de suelo o tener contacto suficiente con un estrato de roca. Este requisito no es siempre satisfecho hincando un pilote a una profundidad predeterminada debido a la variación de los perfiles de suelo, por lo que se han desarrollado varias ecuaciones para calcular la capacidad última de un pilote durante la operación. Las ecuaciones dinámicas son ampliamente usadas en el campo para determinar si el pilote ha alcanzado un valor satisfactorio de carga a la profundidad predeterminada. 1.5.1 Fórmula del Engineering News Record (ENR) Una de las primeras de esas ecuaciones dinámicas, comúnmente llamada la fórmula del Engineering News Record (ENR), se deriva de la teoría del trabajo y la energía. Es decir, Energía impartida por el martillo por golpe = (Resistencia del pilote)/(Penetración por golpe del partillo) De acuerdo con la fórmula ENR, la resistencia del pilote es la carga última Qu, expresada como: exp. 1.44 Donde: WR: peso del martinete h: altura de la caída del martinete S: penetración del pilote por golpe de martillo C: constante. 20.

(38) Estado del arte. Capítulo I. La penetración, S, del pilote se basa usualmente en el valor promedio obtenido de los últimos golpes del martillo. En la forma original de la ecuación se recomendaron los siguientes valores de C. Para martillos de caída libre: C = 1 pulg. (si las unidades de S y h están en pulgadas) Para martillos de vapor: C = 0.1 pulg. (si las unidades de S y h están en pulgadas) Se recomendó también un factor de seguridad, FS, igual a 6, para estimar la capacidad admisible del pilote. Note que para martillos de acción simple y doble, el término WRh es reemplazado por EHE (donde E = eficiencia del martillo y HE = energía nominal del martillo). Entonces: exp. 1.45 La fórmula ENR ha sido revisada a lo largo de los años y también se han sugerido otras formulas de hincado de pilotes. El esfuerzo máximo desarrollado en un pilote durante la operación de hincado se estima con las fórmulas presentadas en la tabla de fórmulas para el hincado de pilotes. Como ilustración usamos la formula ENR modificada: exp. 1.46. En esta ecuación, S es igual a la penetración promedio por golpe de martillo, que también se expresa como: exp. 1.47 Donde S: está en pulgadas N = número de golpes de martillo por pulgada de penetración Entonces: exp. 1.48. Diferentes valores de N se suponen para un martillo y pilote dados y luego pueden calcularse Qu. El esfuezo de hincado entonces se calcula para cada valor de N y Qu/Ap.. 21.

(39) Estado del arte. Nombre. Capítulo I. Fórmula. Fórmula ENR modificada. Donde E: eficiencia del martillo C: 0.1 pulg, si las unidades de S y h están en pulgadas Wp: peso del pilote n: coeficiente de restitución entre el martinete y el capuchón del pilote Valores típicos para E Martillos de acción simple y doble Martillos diesel Martillos de caída libre Valores típicos para n Martillo de hierro colado y pilotes concreto (sin capuchón) Cojinete de madera sobre pilotes acero Pilotes de madera. 0.7 – 0.85 0.3 – 0.4 0.7 – 0.9. 0.4 – 0.5 de 0.3 – 0.4 de 0.25 – 0.3. Fórmula de la Michigan State Highway Commission (1965) Donde HE: energía nominal máxima según el fabricante del martillo (lb·pulg) E: eficiencia del martillo C: 0.1 pulg. Se recomienda un factor de seguridad de 6. Fórmula danesa (Olson y Flaate, 1967). Donde E: HE: Ep: L: Ap:. eficiencia del martillo energía nominal del martillo módulo de elasticidad del material del pilote longitud del pilote área de la sección transversal del pilote. 22.

(40) Estado del arte. Capítulo I. Fórmula del Pacific Coast Uniform Building Code (International Conference of Building Officials, 1982) El valor de n debe ser de 0.25 para pilotes de acero y de 0.1 para los otros. Se recomienda en general un factor de seguridad de 4. Fórmula de Janbu (Janbu, 1953) Donde. Fórmula de Gates (Gates, 1957) Si Qu está en klbs, entonces S está en pulg, a = 27, b = 1 y HE esta en klb·pies. Si Qu está en KN entonces S está en mm, a = 104.5, b = 2.4 y HE está en KN·m. E = 0.75 para martillo de caída libre; E = 0.85 para los otros martillos. Use un factor de seguridad de 3 Fórmula de Navy – McKay. Use un factor de seguridad de 6 Tabla1.10. Fórmulas de hinca. 23.

(41) Estado del arte. Capítulo I. 1.5.2 Design Manual DM 7.2, 1982 La Tabla 1.11 de US Navy (1982) recomienda el empleo de fórmulas de hinca según el martillo a ser utilizado. Estas fórmulas pueden utilizarse como una guía para estimar las capacidades admisibles de los pilotes y como control de construcción cuando están complementadas por ensayos de carga. Para martillos en caída libre. Para martillos de acción simple. Para martillos de doble acción diferencial. Tabla 1.11. Fórmulas Básicas de Hincado de Pilotes (Design Manual DM 7.2, 1982). Donde: a: b: c: (Qv)ad: W: H: E: S: WD:. usar cuando los pesos hincados son menores que los pesos del martillo. usar cuando los pesos hincados son mayores que los pesos del martillo. fórmula de hincado de pilotes basada en la fórmula de Engineering News. carga admisible del pilote en libras. peso del martillo en libras. altura efectiva de caída en pies. energía real liberada por el martillo por golpe en pie-libra. promedio neto de penetración en pulgadas por golpe para las últimas 6 pulgadas del hincado. pesos hincados incluyendo el pilote.. Nota: la relación de pesos (WD / W) debe ser <3.. 24.

(42) Estado del arte. Capítulo I. 1.6 Conclusiones Parciales Después de analizada los aspectos anteriores arribamos a las siguientes conclusiones parciales: 1. Existe un gran número de expresiones y criterios para el diseño geotécnico de cimentaciones sobre pilotes trabajando en roca. 2. Se acepta en la literatura internacional el aporte a fricción en pilotes que atraviesan estratos rocosos. 3. La propuesta de Norma(1989) se encuentra desactualizada en algunos temas como los pilotes trabajando a fricción en roca. 4. Para la determinación de la carga ultima por métodos dinámicos existe un gran número de expresiones, que evalúan fundamentalmente el numero de golpes para penetrar en el suelo, la energía del martillo y la masa de pilote y el equipo de hinca. 5. El empleo de los métodos dinámicos debe estar asociado a las recomendaciones del fabricante del equipo de hinca y a resultados experimentales satisfactorios para las condiciones de suelo analizado. 6. Es una tendencia actual el uso pruebas de cargas a escala real, para comprobar la capacidad de carga del pilote aislado, a pesar de lo costoso del mismo.. 25.

(43) Capítulo 2.

(44) Estudio teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. Capítulo II. Capítulo II. Estudio Teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina gaviota. Varadero 2.1 Resumen En este capítulo se realizara un estudio de los informes ingeniero geológicos tanto de los informes de GeoCuba como de la ENIA, haciendo énfasis en la descripción de los suelos según las calas tomadas en el terreno de la marina Gaviota de Varadero. A través del procesamiento de los parámetros de suelo se harán tablas resumenes para a partir de de la roca obtener los parámetros resistentes. Se realizara también un análisis de los resultados de la hinca de los pilotes por distintas fórmulas así como análisis de los resultados de los ensayos de carga.. 2.2 Introducción La Marina Gaviota es una edificación, perteneciente a las Obras de Ampliación del Turismos en Varadero, conformada por diferentes objetos de obra que incluyen 7 edificaciones de varios niveles, una cisterna y otras facilidades de una marina. Tiene una capacidad de 1500 Yates y 800 habitaciones. La tipología estructura a utilizar en la mayoría de los objetos de obras son muros de carga para los edificios de hasta 4 niveles y sistema de viga y columna, para edificaciones de hasta 7 niveles. La cimentación propuesta, es cimientos sobre pilotes, estos hincados en el lugar, tratando de apoyar o penetrar el estrato de calcarenitas yacente en el lugar. 2.3 Planteamiento del problema Debido a la compleja estratificación desde el punto de vista geológico, con gran variedad en los perfiles de suelo y la mala calidad portante en la superficie del terreno donde está ubicada la Marina Gaviota se utilizó el sistema de cimentación profunda mediante pilotes. Comprometida la gran responsabilidad estructural de los pilotes, resulta fundamental realizar un estudio del perfil geológico para poder determinar la capacidad de carga de los pilotes. Para esto se hará una correlación entre los resultados del ensayo de carga y la modelación realizada a los pilotes.. 26.

(45) Estudio teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. Capítulo II. Figura 2.1. Terreno donde está en construcción la Marina Gaviota. Varadero. 2.4 Estudio de los informes ingeniero geológicos 2.4.1 Trabajos Geofísicos Con la finalidad de apoyar al estudio ingeniero geológico para este proyecto constructivo en La Marina Gaviota, se ejecutaron los trabajos geofísicos, los que desde el punto de vista de las propiedades eléctricas de estos suelos aportarán sus resultados en la clasificación de los mismos, quedando espacialmente identificados, definiéndose los espesores de los diferentes litotipos detectados para el área, todo lo cual se corroborara con las diferentes calas ingeniero geológicas paramétricas a los trazados de las líneas de mediciones geofísicas efectuadas.. 27.

(46) Estudio teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. Capítulo II. El método geofísico que se utilizó fue el método de Imágenes eléctricas, con el Equipo Syscal Junior de fabricación Francesa, el dispositivo utilizado para la toma de datos fue Wenner Schlumberger para el que se desplegó 48 electrodos acoplados a un sistema inteligente de adquisición de datos, este dispositivo se colocó transversal a los principales afloramientos rocosos del área y resultaron llegar a ser un total de 10 perfiles, sobre los que se obtuvieron un total de 30 imágenes. Los resultados del procesamiento de los datos se muestran en forma de secciones tomográficas para cada perfil medido, pudiéndose apreciar el comportamiento de los valores en el sentido vertical hasta la máxima profundidad alcanzada que está en el orden de los 12 metros. 2.4.1.2 Resultados de la interpretación de los datos geofísicos Durante el procesamiento de los datos fue necesario la eliminación de valores distorsionados debido al amplio rango que presentaron en su comportamiento, es de destacar que se está trabajando sobre un suelo donde se presentan materiales rocosos aflorando, por otro lado suelos arenosos y materiales de relleno locales, todo lo cual motivo a que las condiciones de tomas a tierra no fueran las idóneas, no obstante los resultados muestran el comportamiento eléctrico de los suelos investigados delimitando las diferentes capas de suelos mapeadas las que fueron corroboradas con las calas ingeniero geológicas practicadas próximas a los perfiles medidos. A continuación se presentarán los resultados gráficos de este trabajo, los que se aprecian en los siguientes cortes tomográficos.. Figura 2.2 En esta sección No 1, se muestra de acuerdo al corte geoeléctrico que el comportamiento de los suelos investigados se asocia a tres variedades litológicas que contrastan por su comportamiento eléctrico: uno con los valores más débiles en el orden desde 10 Ohm-m hasta 70 Ohm-m pudiendo estar asociados a materiales como la turba y cieno arenosos los que por demás y a los niveles detectados se encuentran sobresaturados por la intrusión marina, el otro 28.

(47) Estudio teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. Capítulo II. intervalo anómalo esta entre los 70 Ohm-m y 200 Ohm-m, asociados a suelos calacareniticos de color crema, textura arenosa de dureza baja y en las calas se presenta con recuperación muy fragmentada y además el parámetro RQD se presenta con valores de 20 a 60 %, esta capa se encuentra saturada por la intrusión marina la que baña sus poros provocando la baja dureza de este litotipo, el tercer tipo de suelo se presenta con los valores más elevados en toda el área estando en el orden de 200 Ohm-m y superiores, asociados a las rocas calcarenitas de colores crema, con oquedades pequeñas, bastantes conservadas y en las calas se presenta con valores de parámetro RQD de 80 – 90 – 100 % en función de su grado de conservación.. C 90 C 10. Figura 2.3 En esta sección como en todas las que le continúan se presenta un comportamiento anómalo en cuanto a la distribución de los tipos de suelos muy similares, por lo que los valores más elevados están mapeando a la capa de roca calcarenita más conservada, los valores de intensidades intermedias se corresponden con suelos calacareniticos de color crema, textura arenosa de dureza baja y en las calas se presenta con recuperación muy fragmentada y los valores inferiores están asociados a materiales como la turba y cieno arenosos los que por demás y a los niveles detectados se encuentran sobresaturados por la intrusión marina. Por la forma de presentarse los contornos anómalos nos infiere a pensar que la distribución de estos suelos hacia la máxima profundidad lograda en esta investigación representa a una estratificación bastante homogénea manteniendo la horizontalidad en la superposición de las capas ingeniero geológicas descritas en este informe.. 29.

(48) Estudio teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. C7. Capítulo II. C8 C9. Figura 2.4. C7. Figura 2.5. C 78. Figura 2.6. 30.

(49) Estudio teórico del comportamiento de los pilotes de la Marina Gaviota en Varadero. Capítulo II. De acuerdo a los resultados de las mediciones geofísicas se ha podido realizar una caracterización geoeléctrica de los suelos del área investigada, la que ha sido corroborada con C3 calas ingeniero geológicas que están efectuadas de forma paramétricasCa78los perfiles medidos. La primera capa ingeniero geológica muestra valores máximos de resistividad eléctrica y la misma contornea en sus anomalías a suelos constituidos por roca calcárea que se reporta en las calas como rocas calcarenitas de colores crema, con oquedades pequeñas, bastantes conservadas y agenciándose con valores del parámetro RQD de 80 – 90 – 100 % en función de su grado de conservación. La segunda capa ingeniero geológica se comporta con valores intermedios de la resistividad eléctrica real para la zona estudiada y se asocia a suelos constituidos por materiales calacareniticos de color crema, textura arenosa de dureza baja y en las calas se presenta con recuperación muy fragmentada y además el parámetro RQD se exhibe con valores que oscilan entre 20 a 60 %, esta capa se encuentra saturada por la intrusión marina la que baña sus poros provocando su baja dureza. La tercera capa ingeniero geológica se manifiesta con los valores más bajos o débiles reportados para el área la que esta cartografiando a suelos constituidos por materiales como la turba y cieno arenosos los que por demás y a los niveles detectados se encuentran sobresaturados por la intrusión marina y su ubicación es más predominante la parte sur en todos los perfiles. 2.4.2 Datos tomados del Informe de GeoCuba. Año 2008 En el año 2008 la empresa GeoCuba realizo un estudio Ingeniero Geológico del lugar, obteniendo resultados similares a los posteriormente descritos por la ENIA en el año 2009. A continuación se exponen los resultados comprendidos en dichos informes, independientemente de la variabilidad en cuanto a la descripción y propiedades de los suelos. En ambos informes, nunca se alcanzan profundidades mayores a 12 metros de perforación. Informe GeoCuba No1. En este informe se desatacan la presencia de una calcarenita, de Resistencia a compresión que varía en función de la profundidad. En ambos informes, nunca se alcanzan profundidades mayores a 12 metros de perforación.. Densidad. σc. Compresión MPa. Angulo de fricción interna. Modulo Gral de Deformación. 16.6. -. 15 a 20. 150 a 300 kPa. Nspt de 0 a 14. -. -. -. Tabla 2.1 Propiedades de los suelos. 31.