Diseño Geotécnico de Pilotes.
AUTOR: Ing. Danny Ondarza Medina TUTOR: Dr. Ing. Luis O. Ibañez Mora
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Índice
1.1 Resumen. ... 5
1.2 Introducción. ... 5
1.3 Diseño de cimentaciones sobre pilotes. ... 7
1.4 Estudio y crítica de los métodos para el diseño de pilotes. ... 8
1.4.2 Métodos y ensayos de pruebas de carga de pilotes ...10
1.5 Estudio y crítica de las expresiones para la determinación de la carga a nivel de pilote. ...15
1.6 Estudio y crítica de las expresiones para la determinación de la capacidad de carga en pilotes. ...17
1.6.1 Pilotes apoyados en suelos. ...18
1.6.2 Análisis del aporte en punta...19
1.6.3 Análisis del aporte a fricción. ...24
1.6.4 Pilotes apoyados en roca. ...27
1.7 Estudio y crítica de las expresiones para el cálculo de las deformaciones. ...29
1.7.1 Cálculo de los asentamientos para el pilote aislado. ...31
1.7.2 Asentamiento pilote en grupo. ...33
1.8 Grupo de pilotes. Eficiencia de grupo. ...34
1.10 Tendencias actuales en el diseño de cimentaciones sobre pilotes. ...35
Propuesta de Calculo...37
Introducción. ...37
Bibliografía. ...70
5 1.1 Resumen.
El objetivo de este Trabajo es redactar un estado del arte sobre las metodologías de diseño y revisión de las cimentaciones sobre pilotes, que nos permita un posterior análisis sobre el tema. Con este propósito se presenta de forma simplificada, la metodología para el diseño de este tipo de cimentaciones, un estudio y crítica de los diferentes métodos para el diseño de las mismas, un estudio y crítica de las expresiones para: la determinación de la carga a nivel de pilote, la determinación de la capacidad de carga, y el cálculo de las deformaciones.
1.2 Introducción.
Los pilotes son elementos de cimentación, de gran longitud si es comparada con su sección transversal, que se hincan o se construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno.
Las cimentaciones sobre pilotes se utilizan en la práctica en problemas de relativa complejidad, normalmente con condiciones ingeniero-geológicas complejas y/o sistemas de cargas actuantes con particularidades que traigan consigo la imposibilidad de resolver el problema con la utilización de cimentaciones superficiales.
Clasificación de las cimentaciones sobre pilotes:
Según su instalación Pilotes aislados Grupo de pilotes Según el tipo de carga
que actúa sobre el pilote
A compresión A tracción A flexión
A flexo-compresión Según el tipo de
material del pilote
De madera De concreto
De concreto armado De acero o metálico
Pilotes combinados o mixtos Según la interacción
suelo-pilote
Pilotes resistentes en punta
Pilotes resistentes en fuste o a fricción
Pilotes resistentes en punta y fustes simultáneamente Por la forma de la
sección transversal
Cuadrados Circulares Doble T Prismáticos T
Otros Por la forma en que se
construyen
Pilotes prefabricados hincados con ayuda de martillos sin extracción previa de suelo
Pilotes hincados por vibración con o sin perforación del suelo Pilotes de concreto armado con camisa, hincados con relleno parcial o total
6 Pilotes fundidos in situ de concreto o concreto armado
Condiciones de utilización:
Las cimentaciones por pilotaje se utilizan cuando:
• No existe firme en una profundidad alcanzable con zapatas o pozos.
• Se quieren reducir o limitar los asientos del edificio.
• La permeabilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecución de cimentaciones superficiales.
• Las cargas son muy fuertes y concentradas (caso de torres sobre pocos pilares) En la cimentación los pilotes están sometidos predominantemente a cargas verticales, pero en algunos casos deben tenerse en cuenta otros tipos de solicitaciones como son:
• Cargas horizontales debidas al viento, empujes de arcos o muros etc.
• Rozamiento negativo al producirse el asiento del terreno en torno a pilotes columna por haber extendido rellenos o sobrecargas, rebajar el nivel freático a través de suelos blandos aún en proceso de consolidación.
• Flexiones por deformación lateral de capas blandas bajo cargas aplicadas en superficie.
• Esfuerzos de corte, cuando los pilotes atraviesan superficies de deslizamiento de taludes.
La capacidad de una cimentación sobre pilotes para soportar cargas o asentamientos, depende de forma general del cabezal, el fuste del pilote, la transmisión de la carga del pilote al suelo y los estratos subyacentes de roca o suelo que soportan la carga de forma instantánea. Al colocar un pilote en el suelo, se crea una discontinuidad en el medio según la forma de instalación del mismo. Para el caso de pilotes fundidos "in-situ", la estructura de las arcillas se desorganiza y la capacidad de las arenas se reduce. En la hinca, dentro de la zona de alteración (1 a 3 diámetros) se reduce la resistencia a cortante en arcillas, sin embargo, en la mayoría de los suelos no cohesivos se aumenta la compacidad y el ángulo de fricción interna. En el análisis de la transferencia de la carga, todos los autores, [Jiménez (1986), Juárez (1975), Sowers (1977), Lambert (1991), Zeeveart (1992), Bras (1999), Poulos and Davis (1980), Márquez (2006), Smith (2001)] coinciden que la carga se trasmite por la punta del pilote, a compresión, denominada "resistencia en punta" y/o por esfuerzo a cortante a lo largo de la superficie del pilote llamada "fricción lateral". Sin embargo, en todos los casos no se desarrollan ambas resistencias, y el estado deformaciones para alcanzarlas difiere grandemente. Para las arcillas, el aporte a fricción predomina sobre el aporte en punta, no siendo así para el caso de las arenas. La determinación de los asentamientos, constituye, para estas cimentaciones un problema teóricamente muy complejo, por las incertidumbres que surgen al calcular la variación de tensiones por carga impuesta y por no conocer que por ciento de la carga es la que provocará deformaciones.
Finalmente, al analizar estas cimentaciones, no se deben ver como un pilote aislado, sino como un conjunto, donde también intervienen el cabezal y el suelo adyacente al mismo, y donde el comportamiento de un pilote dependerá en gran medida de la acción de los pilotes vecinos
7 Figura 1.1 Ejemplo de una cimentación sobre pilote.
1.3 Diseño de cimentaciones sobre pilotes.
En el proceso de diseño de una cimentación es necesario seguir una secuencia de pasos para obtener un resultado satisfactorio. Para el caso de los pilotes, son varios los factores a tener en cuenta en su selección y posterior proceso de diseño. A continuación se presentan los siguientes pasos que describe de forma general el proceso de diseño de cimentaciones:
1. Obtener información estructural, detalles de proyecto y características del sitio 2. Obtener geología e información sobre cimentaciones en el sitio.
3. Desarrollar y ejecutar programas de exploración.
4. Evaluar información y seleccionar el tipo de:
• Tipo de cimentación
• Cimentaciones profundas
• Cimentaciones superficiales 5. Seleccionar el tipo de pilote.
6. Calcular la capacidad de carga y la longitud del pilote.
7. Calcular asentamientos.
Si todo está correcto, es decir, logramos un diseño satisfactorio continuamos con la ejecución de los planos.
En este trabajo se profundizará en lo relacionado al diseño geotécnico de la cimentación sobre pilotes, capacidad de carga y deformación (solo para los casos de carga axial) y al diseño estructural del pilote aislado. Se analizará la cimentación como un elemento individual y el efecto del grupo de pilotes.
8 1.4 Estudio y crítica de los métodos para el diseño de pilotes.
Para determinar la capacidad de carga en pilotes se han desarrollado fórmulas y criterios que pueden agruparse en cuatro clases que se citan a continuación:
• Pruebas de cargas
• Métodos y ensayos de pruebas de carga de pilotes
• Métodos de ensayo de integridad estructural
• Ensayos con métodos no destructivos 1.4.1 Pruebas de cargas:
El método más seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayoría de los lugares, es la prueba de carga. Los ensayos de carga se hacen para determinar la carga máxima de falla de un pilote o grupo de pilotes o para determinar si un pilote o grupo de pilotes es capaz de soportar una carga sin asentamiento excesivo o continúo. La capacidad de carga en todos los pilotes, excepto los hincados hasta la roca, no alcanza su valor máximo hasta después de un periodo de reposo. Los resultados de los ensayos de carga no son una buena indicación del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan después de un periodo de ajustes. En el caso de pilotes hincados en suelo permeable este periodo es de dos o tres días, pero para pilotes rodeados total o parcialmente por limo o arcilla, puede ser de más de un mes. Los ensayos de carga se pueden hacer construyendo una plataforma o cajón en la cabeza del pilote o grupo de pilotes, en la cual se coloca la carga, que puede ser arena, hierro, bloques de concreto o agua. Para hacer un ensayo más seguro y más fácilmente controlable, se usan, para aplicar la carga, gatas hidráulicas de gran capacidad cuidadosamente calibradas.
Las pruebas de carga serán ejecutadas totalmente por cuenta del CONTRATISTA en pilotes o de acuerdo al contrato establecido con anterioridad.
Si un pilote de fundación se rompiera durante la prueba de carga, con una carga inferior o igual a 1.5 (uno y medio) veces la carga admisible, el pilote será sustituido por otro que satisfaga la condición de estabilidad de la fundación.
Las pruebas de carga deberán ser ejecutadas con estricto respeto de las normas que se dan a continuación:
1º INSTALACION Y EQUIPO
• Tratándose de pilotes moldeados "in situ", la prueba de carga solamente podrá ser realizada luego de un tiempo mínimo de cura de 15 días, salvo que haya sido usado cemento de alta resistencia inicial o proporciones especiales.
• El dispositivo de transmisión de la carga al pilote debe ser tal que la misma actúe axialmente sobre el pilote y de manera que no produzca choques. Para esto se aconseja la utilización de gatas hidráulicas unidas a bombas y manómetros, debidamente calibrados resistiendo contra una carga de reacción estable.
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• La reacción disponible para prueba de carga debe ser suficientemente mayor que la carga de trabajo.
• Los desplazamientos de referencia, para medidas de desplazamientos, deben estar libres de influencia de la intemperie y de los movimientos de pilotes, del terreno circundante, del cajón o anclaje, y sus apoyos deben estar situados a una distancia igual, por lo menos, a cinco veces del diámetro del pilote y nunca inferior a 1.5 m.
• Las vibraciones de cualquier especie deben ser evitadas durante la realización de las pruebas de carga.
2º INSTALACION DE LA PRUEBA DE CARGA
a) La carga debe ser aplicada en etapas sucesivas no superiores a 20% de la carga de trabajo probable del pilote.
b) En cada etapa de carga los desplazamientos serán leídos inmediatamente después de la aplicación de esa carga y luego de los siguientes intervalos de tiempo: 1, 2, 4, 8, 15, 30 minutos, 1, 2, 3, 4 horas, etc.
Solo será aplicado nuevo aumento de carga después de verificada la estabilización de los desplazamientos con tolerancia máxima de 5 del desplazamiento total de esta etapa, entre lecturas sucesivas.
c) Los ensayos, en el caso de no llegarse hasta la rotura del terreno, se continuarán por lo menos hasta observarse un desplazamiento total de 15 mm o hasta una vez y media la carga de trabajo del pilote.
d) La carga máximo alcanzada en el ensayo, en el caso de no llegarse hasta la rotura, deberá ser mantenida por lo menos durante 12 horas, satisfaciéndose las condiciones estipuladas en el inciso "b" en lo referente a los intervalos de lectura.
e) Siempre que sea posible, la descarga deberá ser realizada por etapas sucesivas no superiores a 25% de las cargas totales del ensayo, debiéndose mantener cada etapa hasta la estabilización de los desplazamientos, dentro de la precisión de la medida.
3º RESULTADOS
• Como resultado del ensayo, el INGENIERO presentará una curva carga-
asentamientos donde figuran las observaciones realizadas en el comienzo y en el final de cada etapa, con indicación de los tiempos transcurridos.
• Adjunta a la curva de resultados será presentada la siguiente información.
a) Situación del pilote de prueba en el terreno.
b) Día y hora de comienzo y de final de la prueba de carga.
c) Siempre que sea posible, referencia a la perforación de sondeo del estudio de fundación más próximo.
d) Tipo de pilote en cuestión, dimensiones, cota de la cabeza del pilote en relación a un Nivel Base, altura del bloque para transmisión de la carga, si hubiera, volumen de la base (en el caso de pilotes moldeados en el terreno): fecha de hinca, fecha de moldeado (en el caso de pilotes por filtración), proporciones del hormigón, informaciones sobre hechos anormales ocurridos durante la ejecución.
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• De ser posible, datos de hincado: tipo de equipo de hinca de pilotes; tipo y peso del martillo; tipo, dimensiones y peso de la defensa sobre cabeza de hinca; altura y tipo de caída o energía de hincado; penetración en cada serie de golpes;
penetración elástica y permanente por golpes, número de golpes por minuto.
• Referencia al dispositivo de carga, de medidas y calibrado de los manómetro.
• Hechos excepcionales durante la carga, perturbaciones en los dispositivos de carga y de medida, modificaciones en la superficie del terreno contiguo al pilote de prueba, eventuales alteraciones en los puntos fijos de referencia y cualquier inobservancia de las medidas, normas o eventualidades locales.
1.4.2 Métodos y ensayos de pruebas de carga de pilotes MÉTODO SÓNICO
En el ensayo sónico de integridad de pilotes se utiliza un equipo desarrollado por el Instituto TNO de Holanda, que cuenta con más de veinticinco años de experiencia en este tipo de ensayos, habiendo ensayado millones de pilotes, y habiendo detectado centenares de pilotes con defectos más o menos serios.
El ensayo es del tipo de martillo de mano, cuyo golpe envía una onda de compresión a lo largo del fuste del pilote. Esta onda es reflejada por las discontinuidades del pilote, por su punta, o por cambios de sección o variaciones del terreno que lo rodea. Los movimientos consiguientes de la cabeza del pilote son captados por un acelerómetro. La señal del acelerómetro es amplificada y digitalizada por un sistema electrónico y convertida en medida de velocidad, que se presenta inmediatamente en la pantalla de un microcomputador portátil. La curva obtenida se puede archivar en el disco duro del equipo para su posterior tratamiento e impresión mediante impresora. El gráfico de velocidad de un pilote continuo aparece en la pantalla como una línea relativamente recta con dos picos.
El primero de ellos es el causado por el impacto del martillo, mientras que el segundo es causado por la reflexión en la punta del pilote. El programa informático incorpora diferentes técnicas para mejorar y explotar las señales obtenidas, tales como suavizar y promediar los golpes de martillo, la obtención de la curva media de varios pilotes, y la amplificación de la señal con la profundidad de manera lineal o exponencial para compensar los efectos de pérdida de señal con la profundidad.
Los pilotes no requieren ninguna preparación especial, únicamente se necesita que se haya realizado ya el descabezado en el momento del ensayo, para que el golpe del martillo se realice sobre hormigón sano y la onda no refleje en discontinuidades o coqueras del hormigón poco compacto existente en la cabeza del pilote antes del descabezado. La edad mínima del hormigón en el momento del ensayo es de siete días, para garantizar un grado de endurecimiento y un módulo de elasticidad que permitan que la onda se propague. En ocasiones se han conseguido obtener buenas señales a edades incluso más tempranas.
Los ensayos no producen ninguna interferencia en la marcha de la obra, ya que se pueden ensayar grupos de pilotes a medida que se van construyendo y descabezando, y suele bastar un día o dos de preaviso para la realización de los ensayos. El rendimiento es elevado, y en condiciones óptimas se pueden ensayar más de 100 pilotes al día.
11 El ensayo sónico también se puede utilizar en pilotes de cimentaciones antiguas, realizando previamente una cata por el lateral del encepado y dando el golpe del martillo y captando la onda en un lateral del pilote.
MÉTODO ULTRASÓNICO "CROSS-HOLE"
Los ensayos se realizan con el equipo UMQA4, que utiliza tecnología puntera en el mundo.
El método se basa en registrar el tiempo que tarda una onda ultrasónica en propagarse desde un emisor a un receptor que se desplazan simultáneamente por dos tubos paralelos sujetos a la armadura del pilote. El tiempo medido es función de la distancia entre el emisor y el receptor y de las características del medio atravesado.
En el caso de existir defectos en el camino de las ondas tales como inclusiones de tierra, oqueades, coqueras u otros que hagan alargar el tiempo de recorrido, en la gráfica del ensayo queda reflejada la variación y la profundidad a que se ha producido.
Los datos son almacenados de manera digital en el equipo, y las gráficas pueden ser impresas directamente en la obra o revisadas e impresas en gabinete. Para la realización del ensayo se precisa que en los pilotes el constructor deje instalados tubos para poder introducir las sondas hasta la profundidad que se quiera ensayar. Los requisitos para estos tubos son los siguientes: Los tubos deben ser preferentemente de acero, con diámetro mínimo 40 mm y preferiblemente 50 mm. Se pueden emplear tubos de plástico en pilotes cortos, pero es muy fácil que se deterioren durante el hormigonado y queden inservibles.
Los empalmes deben realizarse con manguitos roscados, ya que las uniones soldadas pueden producir rebabas que dificulten el paso de las sondas o deterioren los cables. Los extremos inferiores deben cerrarse herméticamente por medio de tapones metálicos, para impedir la entrada de elementos extraños y para evitar la pérdida del agua que deben contener durante el ensayo. Los extremos superiores deben también cerrarse para evitar la caída accidental de material hasta el momento de realización del ensayo. Sobresaldrán al menos 40 cm del hormigón del pilote. Los tubos deben llenarse de agua dulce limpia previamente al ensayo, y deberá comprobarse que no tienen obstrucciones, ni se producen pérdidas de agua. El número de tubos por pilote, según la norma francesa DTU 13.2, es el siguiente:
• 2 tubos para diámetros de pilote inferiores o iguales a 60 cm.
• 3 tubos para diámetros de pilote hasta 120 cm.
• 4 tubos para diámetros de pilote superiores a 120 cm.
Los pilotes deben estar accesibles y sin presencia de agua. El hormigón no tiene, en general, menos de una semana en el momento del ensayo. Es recomendable disponer de un plano con la identificación de los pilotes, su longitud aproximada, e información sobre posibles incidencias durante su construcción. En condiciones óptimas, se pueden realizar más de 130 m de ensayo a la hora.
Tareas Previas
Para efectuar el ensayo se necesita dejar instalados dentro de los pilotes, tubos para poder introducir sondas hasta la profundidad que se quiera ensayar.
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• Los tubos por lo general son de acero, con diámetros entre 40 y 50 mm, prefiriéndose el de mayor diámetro. También se usan tubos plásticos en pilotes cortos, pero no convienen pues se deterioran fácilmente durante el hormigonado quedando inutilizados.
• Los empalmes se realizan con manguitos roscados, no se usan uniones soldadas pues dejan rebarbas que dificultan el paso de las sondas o perjudican los cables.
• El extremo inferior de cada tubo debe cerrarse con tapones metálicos en forma totalmente hermética, de esta manera se impide que ingresen elementos extraños y que haya pérdida de agua que deberá contener al momento del ensayo.
• El extremo superior debe cerrarse para impedir que caiga cualquier material hasta el momento del ensayo; deben sobresalir como mínimo 40 cm del hormigón del pilote.
• Antes del ensayo se llenan los tubos con agua limpia, comprobando que no haya obstrucciones ni pérdidas de agua.
• Número de tubos por pilote:
2 tubos para Ø de pilote igual o menor a 60 cm.
3 tubos para Ø de pilote hasta 120 cm.
4 tubos para Ø de pilotes mayores a 120 cm.
• El hormigón deberá tener al menos una semana de construido habiendo adquirido cierta resistencia para efectuar el ensayo.
• Conviene disponer de un plano identificando cada pilote, longitud aproximada y datos sobre posibles incidencias durante su elaboración.
• Antes del ensayo se debe pasar una plomada por cada tubo midiendo su longitud y comprobando que no haya obstrucciones.
• Comprobar previamente que estén llenos de agua.
ENSAYO
Este método consiste en introducir y hacer descender un emisor y un receptor de ultrasonidos por dos conductos huecos en el interior del fuste del pilote, guardando registro del tiempo empleado en recorrer la distancia entre ambos.
Si se encontraran defectos en el paso de las ondas, como oquedades, coqueras, inclusiones de tierras u otro problema que alargue el tiempo de recorrido, ésto queda reflejado en la gráfica de ensayo indicado en las variaciones y la marcando la profundidad donde se ha encontrado.
El ensayo se realiza cuando se han bajado las sondas hasta el fondo de los tubos, levantando ambas al mismo tiempo después de cerciorarse que se encuentren en el mismo plano horizontal.
1.4.3 MÉTODOS DE ENSAYO DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL
Las nomenclaturas existentes son variadas y contradictorias en la literatura técnica y en la publicidad de las casas suministradoras de equipos y de las empresas que realizan
13 ensayos, utilizándose palabras como "sónico", "sísmico" y "dinámico" con diferente significado según los autores, por lo que los nombres utilizados a continuación pueden no coincidir con los que aparezcan en otros documentos, aunque trataremos de hacer referencia más al método en si que al nombre.
Son tres los métodos de ensayo de integridad de pilotes más difundidos, que también se emplean en nuestro país:
a) El más utilizado internacionalmente consiste en golpear la cabeza del pilote con un martillo de mano y obtener mediante instrumentación el movimiento de la cabeza del pilote como consecuencia de la onda de tensión generada. Es un método dinámico que induce una baja deformación en el pilote, denominándose generalmente "método sónico", aunque también se le nombra como "sísmico", "ensayo de integridad de baja deformación", "sonic echo" (en inglés) o "ensayo de impedancia mecánica". Se aplica a cualquier tipo de pilote, no requiere ninguna preparación especial en el mismo, ni necesita equipo pesado, por lo que resulta económico y de gran rendimiento.
b) Otro método muy conocido consiste en hacer descender un emisor y un receptor de ultrasonidos por dos conductos huecos paralelos en el interior del fuste del pilote, registrándose el tiempo empleado en recorrer la distancia entre ambos. Es también un método dinámico que induce una baja deformación en el pilote, denominándose generalmente "cross-hole ultrasónico", aunque también se le denomina "sondeo sónico",
"sondeo sísmico", "ensayo sísmico paralelo", "cross hole sonic logging" (en inglés) o
"ensayo por transparencia sónica". Requiere que se dejen dos o más tubos embebidos en el hormigón, o que se realicen taladros en el hormigón endurecido. Una vez realizado esto, el ensayo es rápido y no precisa equipos pesados Este método se utiliza también en muros pantalla de hormigón armado.
c) El tercer método es el que dispone de más tradición, consistiendo en dejar caer una masa importante sobre la cabeza del pilote protegida por una sufridera, instrumentándose la cabeza del pilote para obtener la fuerza y la velocidad en función del tiempo. Es un método utilizado preferentemente en pilotes hincados, ya que aprovecha la misma energía proporcionada por el martillo de hinca. Es un método dinámico que induce una fuerte deformación en el pilote, denominándose generalmente "ensayo de respuesta dinámica" o simplemente "ensayo dinámico", aunque algunos autores no lo incluyen entre los ensayos de integridad. En pilotes hincados no requiere preparación especial ya que se utiliza el mismo martillo de hinca y la instrumentación es sencilla, pero en otros tipos de pilotes si que requiere medios pesados, ajenos a los de ejecución del pilote, para disponer sobre el mismo una masa considerable con una cierta altura de caída. En la actualidad se han desarrollado sistemas más sencillos y transportables de dar la energía necesaria para el ensayo.
ENSAYOS RAPIDOS DE CARGA
Los ensayos estáticos de carga permiten conocer el comportamiento real de los pilotes en el terreno, sometidos a cargas generalmente superiores a las de servicio, pero con un coste elevado. Los modernos ensayos rápidos de carga permiten la realización de pruebas de
14 carga a un coste razonable, permitiendo un diseño más ajustado del pilotaje y beneficiándose de los coeficientes de seguridad más bajos que permiten las normas cuando se realizan pruebas de carga.
Los más empleados son los ensayos dinámicos y el ensayo semiestático Statnamic. En el ensayo dinámico se utiliza una masa que cae e impacta sobre el pilote para movilizar su resistencia por punta y por fuste, y mediante instrumentación electrónica captar su comportamiento y obtener después por cálculo numérico la capacidad portante del pilote.
El sistema Statnamic utiliza una cámara de combustión colocada en la cabeza del pilote, en la que se produce la ignición controlada de un combustible, levantándose unos contrapesos y por reacción una compresión suave sobre el pilote, obteniéndose directamente por instrumentación la carga aplicada y el desplazamiento producido.
El método más conocido es el mismo ensayo dinámico del capítulo anterior, tercer método para la comprobación de la integridad estructural de pilotes. Está descrito en la norma ASTM D 4945-89 y es utilizado en todo el mundo, tanto en pilotes hincados como en pilotes perforados.
En pilotes prefabricados la carga se aplica con el mismo martillo de hinca empleado. En pilotes perforados y hormigonados "in situ" hace falta buscar una carga cualquiera con un peso entre 1 y 1,5 % de la carga de prueba estática y una altura de caída entre 2 y 3 m. Es decir, para una carga de prueba de 500 t, se necesita una masa de 5-7 t suspendida con una grúa.
La cabeza del pilote se prepara usualmente realizando un recrecido de hormigón dentro de una camisa metálica, en el que se colocan los sensores de velocidad y deformación, con una superficie plana en el extremo superior protegida por una chapa metálica y una sufridera sobre la que se produce el impacto. La carga se eleva con una grúa y se deja caer sobre el pilote, registrándose en un ordenador portátil la fuerza y la velocidad en la cabeza del pilote en función del tiempo. Es importante que la energía del impacto sea suficiente para movilizar la capacidad resistente del suelo. Por ello es usual aplicar 4 o 5 golpes con altura de caída creciente, registrándose los parámetros de la respuesta del pilote.
1.4.4 ENSAYOS CON METODOS NO DESTRUCTIVOS
Son tres los métodos utilizados en nuestro país para comprobar la integridad estructural de pilotes mediante sistemas no destructivos:
• El método sónico mediante martillo de mano que genera una onda sónica que baja por el fuste del pilote, rebota en la punta y es captada por un acelerómetro.
También se le conoce como "ensayo de impedancia mecánica" o "sonic echo" (en inglés).
• El método de cross-hole ultrasónico, que consiste en hacer descender un emisor y un receptor de ultrasonidos por dos conductos huecos paralelos en el interior del fuste del pilote, registrándose el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia entre ambos. También se le conoce como "sondeo sónico" o "ensayo por
transparencia sónica".
• El tercer método es el ensayo dinámico mediante un impacto importante sobre la cabeza del pilote. Generalmente se realiza en pilotes prefabricados utilizando el mismo martillo de hinca, siendo al mismo tiempo un ensayo de integridad
15 estructural del pilote y un ensayo rápido de carga. En todo el mundo se está ya utilizando también sobre pilotes hormigonados "in situ".
1.5 Estudio y crítica de las expresiones para la determinación de la carga a nivel de pilote.
En el proceso de diseño de la cimentación se hace necesario determinar la carga actuante a nivel del pilote aislado para posteriormente determinar la capacidad de carga y la deformación del mismo. En este sentido se han desarrollado dos tendencias (Propuesta de Norma 1989), el método de la superposición de efectos y el método de Interacción Suelo – Estructura (ISE). En el primero de ellos se considera que generalmente el cabezal sobre los pilotes es una viga de hormigón armado que por sus dimensiones se supone que sea un elemento rígido y, por tanto, se asume que la distribución de las cargas sobre cada uno de los pilotes sigue una ley lineal o plana. Sin embargo, existen diferentes criterios para definir el comportamiento del cabezal como un elemento rígido o flexible. En el segundo enfoque el pilote se supone apoyado sobre un suelo, modelado como un medio tipo Winkler (medio discontinuo). El modelo supuesto se resuelve considerándolo como una estructura y utilizando para ello el método de las deformaciones (Propuesta de Norma 1989).
Analizando la cimentación como un conjunto, la posibilidad de colaboración entre los pilotes y su encepado o cabezal, para soportar las cargas, que antes era totalmente despreciada, se acepta hoy como muy normal Aoki (1991), en aquellos casos en que el cabezal se hormigona sobre el suelo. Jiménez (1994) cita los trabajos de Coke, que plantea que ensayos en Londres, demuestran que alrededor de 30 % de la carga está siendo trasmitida por el encepado, aun cuando en el proyecto se había supuesto que la carga iba a ser tomada por los pilotes. En recientes investigaciones Aoki (1991), Ibañez(1997) (1998), se realiza un estudio sobre el trabajo cabezal - suelo en este tipo de cimentaciones, donde se evidencia la variación de la carga actuante a nivel del pilote en función de la rigidez del cabezal y el módulo de deformación del terreno en la cabeza y punta del pilote. Sales (2000b) y Cunha (1998) obtienen a través de pruebas de cargas en suelos arcillosos tropicales, resultados similares, lo que evidencia el trabajo conjunto cabezal suelo, razón por la cual se elevará la capacidad de carga de rotura de la cimentación y la disminución de los asentamientos para la condición de carga de trabajo en comparación con el pilotes aislado. Actualmente existen análisis muy detallados mediante elementos finitos para determinar la distribución óptima de los pilotes Chow (1991), Lobo (1997) M. Sales (2000a)P, sin embargo, no se han llegado a presentar en una forma paramétrica que permita su utilización sencilla sin necesidad de llevar a cabo el análisis completo por computación.
INVARIANTES PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CARGA ACTUANTE A NIVEL DEL PILOTE AISLADO.
Para la determinación de la carga actuante a nivel del pilote aislado se debe tener en cuenta:
Solicitaciones externas(momento, cortante y axial): influyen en la magnitud de la carga a nivel del pilote aislado y su forma de trabajo.
16 Número, distribución de pilotes y tipo de unión cabezal – pilote: definen el método de análisis a
emplear.
Rigidez del cabezal: viene dado por las dimensiones del cabezal y el espaciamiento entre pilotes definiendo: cabezal rígido o flexible.
Aporte del terreno bajo el cabezal: en caso de que se tenga en cuenta representa un trabajo conjunto de la cimentación y por ende una disminución de carga a nivel del pilote aislado.
La Propuesta de Norma Cubana (1989) establece que cuando se realiza el diseño de una cimentación sobre pilotes, como sólo se conocen las solicitaciones externas, las características resistentes y deformacionales del suelo de la base, se hace necesario determinar: el número, la distribución y la longitud de los pilotes. En la mayoría de los casos se mantienen dos de las tres incógnitas y se determina la otra.
En el método de la superposición de efectos la carga actuante a nivel del pilote aislado se determina a través de la siguiente expresión:
±±
= ·2 · 2
i i y i
i x total
X X M Y
Y M n
Np N Exp (1.6)
Donde:
Np: Carga a nivel del pilote.
Ntotal: Carga total a nivel de la cimentación.
Mx, My Momento total actuante en el plano X o Y de la cimentación.
Xi, Yi Distancia del pilote analizado al centroide de la cimentación.
n: Número total de pilotes.
Sin embargo, este método solo es aplicable cuando se cumple que:
• Todos los pilotes del grupo tienen igual área transversal,
• La cantidad de pilotes por fila es igual,
• Se considera cabezal rígido.
• Pilotes verticales y articulados al cabezal.
Precisamente el método de Interacción Suelo Estructura (ISE) permite resolver, a diferencia del método anterior, grupos de pilotes que dependan de las siguientes condiciones Propuesta de Norma (1989):
• Unión cabezal pilote articulado o empotrado,
• Cabezal rígido o flexible,
• Igual número de pilotes por fila y por columnas.
En la literatura internacional en los últimos años se conoce como balsa combinadas con pilotes a las cimentaciones donde el cabezal apoya directamente sobre el terreno y aportan capacidad de carga tanto la balsa como los pilotes.
17 Las cimentaciones de balsa combinación con pilotes constituye un sistema constructivo caracterizado por la acción conjunta de ambos elementos: balsa y pilotes, con la función de transmitir al terreno las cargas de la superestructura que se ha de cimentar. En las últimas décadas son numerosas las investigaciones y desarrollos conceptuales que han conducido a mejorar el conocimiento del comportamiento conjunto de la balsa y pilotes (Paulos 2001, Cunha 2000a, 2000b, O’Neill 2001, Van Impe 1996), y que hacen de este sistema constructivo una alternativa de cimentación asociada en general a edificios en altura cimentados sobre suelos granulares y en particular sobre suelos arcillosos en estado normalmente consolidados o sobre consolidados.
Independientemente del tipo de suelo, la aplicación del sistema balsa-pilotes puede ser ventajosa cuando en una cimentación basada sólo en pilotes el número de éstos aumenta y la distancia entre ellos se reduce. En una cimentación profunda convencional, la capacidad portante de los pilotes en el grupo debe ser reducida cuando la distancia entre pilotes disminuye a valores menores que aproximadamente tres o cuatro veces su diámetro.
Ello implica un aumento de la longitud de los pilotes y por ende, de los costos de la cimentación.
1.6 Estudio y crítica de las expresiones para la determinación de la capacidad de carga en pilotes.
A continuación se realiza un análisis sobre los diferentes enfoques para la determinación de la capacidad de carga del pilote de manera general se analizan las expresiones clásicas de la mecánica de suelos y se hace referencia a estudios más recientes. Por el gran volumen de información referido a este tema consultado en la literatura internacional se hará énfasis en las expresiones de mayor uso en nuestro país y el enfoque de la propuesta de norma.
Figura 1.3. Esquema del hundimiento de un pilote aislado.
18 1.6.1 Pilotes apoyados en suelos.
La capacidad última de carga de un pilote se logra por una simple ecuación:
Qu=QP+Qf Exp (1.7)
Donde:
Qu: Capacidad última del Pilote.
QP: Capacidad de carga de la punta del Pilote.
QF: Resistencia por Fricción.
Numerosos estudios publicados tratan la determinación de los valores de QP y QS.
Excelentes resúmenes de muchas de estas investigaciones fueron proporcionados por Vesic (1977), Meyerhof (1976) y Coyle y Castello (1981), Paulos y Davis (1980), Ibañez (2001), Louranco (2005), Propuesta de Norma Cubana (1989), etc. Tales estudios son una valiosa ayuda en la determinación de la capacidad última de los pilotes.
Capacidad de carga de la punta QP.
De acuerdo con las ecuaciones de Terzaghi (Principios de la ingeniería de cimentaciones Dajas 2001):
Exp (1.8)
Como el ancho D de un pilote es relativamente pequeño el término γ DNγ se cancela del lado derecho de la ecuación anterior sin introducir un serio error:
Exp (1.9)
Por consiguiente la carga de punta del pilote es:
Exp (1.10)
Donde:
Ap Área de la punta del Pilote.
C Cohesión del suelo que soporta la punta del Pilote.
qp Resistencia unitaria de punta.
q’ Esfuerzo vertical efectivo al nivel de la punta del pilote.
N*c, N*q Factores de Capacidad de Carga.
Resistencia por fricción de un pilote QF.
La resistencia por fricción o superficial de un pilote se expresa como:
Exp (1.11)
Donde:
p: Perímetro de la sección del pilote.
∆L: Longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes.
foi: Resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad Z.
19 Existen varios métodos para estimar QP y Qf. Debe insistirse que en el terreno, para movilizar plenamente la resistencia de punta (QP) el pilote debe desplazarse de 10 a 25%
del ancho (o diámetro) del pilote.
Figura 1.4 Esquema de cimentaciones profundas (pilotajes).
1.6.2 Análisis del aporte en punta.
Determinación de QP
El aporte en punta para pilotes apoyados en suelo de forma genérica se expresa como:
Qpunta = F (Ap, qo) Exp (1.12) Ap – Área de punta del pilote.
qo – Resistencia en punta.
Nq q Nc P C B N
qo • • ff •
2
• + + ′
= γ γ
Exp (1.13) El mecanismo de resistencia en punta, se asemeja al de una cimentación superficial enterrada profundamente. Al igual que los resultados analíticos de las cimentaciones poco profundas se puede expresar de forma general:
Nq q Nc C B N
qo • • •
2
• + + ′
= γ γ
Exp (1.14) Esta expresión que fue deducida por primera vez por Terzaghi (1943) y mejorada por
Meyerhof (1951), en la que se basan los enfoques clásicos, establece un mecanismo de falla a través de espirales logarítmicas que siempre se cierran en el caso de pilotes, basado en la mecánica del medio continuo Juárez (1975). Para los pilotes, en que B es pequeña, frecuentemente se omite el primer término Sowers (1977):
qo=C Nc q Nq· + ′· Exp (1.15)
Sowers (1977) de forma acertada plantea lo difícil de precisar cuál es el factor de capacidad de carga correcto que debe usarse. Sobre el estudio de estos factores existen los trabajos de Meyerhof y Berezantzev (1976). El factor de capacidad de carga en arenas, está en función de la relación del ángulo de rozamiento interno (ϕ), con la profundidad [Jiménez (1994)]. En este sentido se han desarrollados los trabajos de Terzaghi (1943), De Beer (1965), Caquot – Krissel (1969), Paulos y Davis (1980) y Tomlinson (1987).
Dentro de los enfoques actuales para la determinación del aporte en punta se destacan:
a) La Propuesta de Norma (1989):
20
´
·qp Ap
Qpunta = Exp
(1.16)
Para suelos friccionales (ϕ).
qp´= Ndq·dsq·q´
qp´ - Capacidad de carga en la punta del pilote (en tensiones).
Nq – Factor de la capacidad de carga, función de ϕ.
dsq – Factor que tiene en cuenta la longitud del pilote y la forma de la cimentación.
q´ – Presión efectiva vertical en la punta del pilote. Por debajo de la profundidad crítica (Zc) toma el valor de q´= Zc· γ. Vale destacar que en esta normativa el valor de Zc se establece en función de la relación diámetro y ángulo de fricción interno del suelo.
Como se aprecia, en suelos friccionales, la determinación de la capacidad de carga depende del estado tensional en la punta y en las caras del pilote. Un detallado análisis a estos problemas realiza Sowers (1977) donde se plantea que el valor de q´ se calcula teóricamente como q´= γ·Z, pero a medida que se aumenta la carga en el pilote, hay una reducción en el esfuerzo vertical inmediatamente adyacente en la parte inferior del pilote, debido a la transferencia de carga en punta. Aunque esta puede ser parcialmente compensada por el aumento de la tensión vertical causado por la transferencia de carga por la fricción lateral en la parte superior, el efecto neto en pilotes largos y esbeltos será una reducción de tensiones. Además, el hundimiento de la masa de suelo alrededor del pilote produce una reducción del esfuerzo vertical similar al que se produce en una zanja que se ha rellenado. Como resultado de esto, el esfuerzo vertical adyacente a un pilote cargado es menor que γ·Z, conocido como efecto de Vesic, por debajo de una profundidad crítica denominada Zc. Los ensayos a gran escala en suelos arenosos y estudios teóricos hechos por Vesic (1977), indican que la profundidad Zc es función de la compacidad relativa (Dr). Para Dr < 30 %
Zc = 10·D, para Dr > 70 %
Zc = 30·D. Otras normativas establecen Zc en función de la relación entre el ángulo de fricción interna y el diámetro de los pilotes. Entre las expresiones que consideran el efecto de Vesic se encuentran la de la Propuesta de Norma (1989), Berezentzev (1961), Jiménez (1984), Tomlinson (1986), mientras que Caquot (1967), Bowles (1977) entre otros, no lo consideran. Ibañez (2002) destaca que Zc = 20D y que además no depende del ángulo de fricción interno.Concluimos, entonces, que una de las razones por las que difieren tanto los resultados obtenidos al aplicar las metodologías para la obtención de la capacidad portante en los pilotes apoyados en suelo es la diversidad de criterios empleados en cuanto al valor de Zc asumido.
Para suelos cohesivos (C):
qp = Cu·Nc·dsc
Exp(1.17)
Nc - Coeficiente de la capacidad de carga, función del diámetro o forma del pilote.
dsc – Coeficiente que tiene en cuenta el diámetro o forma del pilote.
Cu – Cohesión no drenada del suelo.
La propuesta de Ibañez (2001): En la tesis de doctorado de Ibañez (2001), a través de la Modelación por Elementos Finitos, el autor propone nuevos coeficientes para la
21 determinación de la capacidad de carga en pilotes. Estas expresiones forman parte de la actual Propuesta de Norma.
c) Miguel León (1980):
´
·qp Ap
Qpunta = Exp (1.18)
Para suelos friccionales (ϕ).
qp = q´· Nq
Nq - factor de capacidad de carga función de ϕ y recomienda los valores de Berezantzev (1961).
q´ - Presión efectiva vertical en la punta del pilote. A diferencia de la Propuesta de Norma Zc se establece a partir de los 20·Diámetros (Zc = 20·D).
Para suelos Cohesivos (C).
Para pilotes hincados, Cu > 100 kPa, recomienda la fórmula de Skempton (1951):
) /
• 2 1 (
• ) /
• 2 . 0 1 (
•
• 14 . 5
• Cu B A Le B
Ap
Qpunta = + + Exp (1.19)
Donde B y A son las dimensiones de la sección transversal del pilote y Le la longitud de empotramiento del pilote en el suelo.
Para pilotes "in-situ"
Nc Cu Ap
Qpunta = • • Exp (1.20)
Nc – igual al anteriormente.
Cu – Cohesión no drenada del suelo.
d) Jiménez (1986):
Qpunta = Ab·qp Exp (1.21)
qp = Ncd·Cu
Ncd - Coeficiente que varía entre 6 y 12 y propone el valor de 9.
Como puede apreciarse el aporte en punta, para el caso de suelos cohesivos se reduce a multiplicar el valor de cohesión por un coeficiente que oscila entre 6 y 12, y para el caso de suelos friccionales debido a la magnitud de este aporte se recurre a expresiones basadas en mecanismos de falla a través de espirales logarítmicas que siempre se cierran en el caso de pilotes, basado en la mecánica del medio continuo. En algunos casos se evalúa la profundidad dentro del estrato resistente y la forma de la cimentación, mientras que en otros esto se tiene en cuenta en el factor Nq de capacidad de carga.
22 Figura 1.5. Coeficiente de capacidad de Carga Nq.
A continuación se analizan las expresiones utilizadas por el enfoque tradicional para determinación del aporte en punta (Ley de resistencia a cortante S = C+σ´·tanϕ):
a) Fórmula de Meyerhof (1976):
−
′ + +
= • • •( 1)
2
•
· 2 d N C Nc q Nq
Ap
Qpunta
γ γ
Exp (1.22)
Nc, Nq, Nγ - factores de capacidad de carga.
Como muestra esta expresión, es similar a la de capacidad de carga para cimentaciones superficiales, con la diferencia que los factores Nc, Nq, Nγ se obtienen para una cimentación profunda y tienen en cuenta la profundidad dentro del estrato resistente y el efecto de forma.
b) Fórmula de Brinch – Hansen (1961):
Qpunta = Ap· (q·Nq·Sq·dq + C·Nc·Sc·dc) Exp (1.23)
Sq, Sc - factores que dependen de la forma de la sección de la cimentación.
dq, dc,- factores que tienen en cuenta la profundidad de la base del pilote dentro del estrato resistente.
ϕ°
Nq
Coeficiente de capacidad de carga
Ángulo de Fricción Interno
23 Otros autores Bowles (1984), L`Herminier (1968) engloban los factores de forma y profundidad, con los coeficientes de capacidad de carga, dando directamente la carga de hundimiento por la punta a suficiente profundidad mediante la expresión:
Qpunta = Ap (q Nq+C Nc) Exp (1.24)
En la obtención de los valores de Nc y Nq se pueden mencionar los trabajos de De Beer (1965), Buissman y Terzaghi (1943). De todas las expresiones estudiadas, la de Brinch – Hansen (1961), por primera vez, evalúa la profundidad del pilote dentro del estrato resistente.
c) Según Ernest Menzenbach (1968a):
Estas expresiones están basadas en la teoría y los resultados de ensayos de laboratorios, y se obtienen del equilibrio de las fuerzas que actúan en la superficie de falla de la base del pilote:
Qpunta = Ap·qo Exp (1.25)
qo = C·Nc +P´·Nq + γ·db·Nγ Exp (1.26)
Cu – Cohesión no drenada.
El valor de Nc oscila entre 6 y 9, y puede ser obtenido por las expresiones de Skempton y Gibsón (1951).
Nq – factor de la capacidad de carga. Según este autor pueden ser utilizados los valores propuestos por Meyerhof (1951), Berezantzev, Khristoforov y Golubkov (1961).
d) Ramón Barbey Sánchez (1978) Qpunta = Ap·
[
C •Nc +q′•(Nq −1)]
Exp (1.27)e) R. L. Herminier (1968): Qpunta = Ap· (1.3·C·Nc + γ·D·Nq) Exp (1.28)
f) Bowles (1984): Qpunta= Ap·(1.3·C·Nc + η·γ·L(Nq - 1) + 0.5·B·Nγ) Exp (1.29)
η - Factor de corrección en función de la profundidad.
En resumen, todas las expresiones en forma son similares a la expresión de capacidad de carga de Meyerhof (1951), y difieren en la manera de determinar los factores de capacidad de carga, es decir, cuál es la superficie de falla que se genera en la base de la cimentación y la manera de evaluar la profundidad dentro del estrato resistente y la forma del pilote. El análisis realizado demuestra que las tendencias actuales en el diseño de pilotes, es ir a utilizar las teorías de esfuerzos efectivos para suelos friccionales y esfuerzos totales para suelos cohesivos.
24 1.6.3 Análisis del aporte a fricción.
El aporte a fricción que se genera en las caras adyacentes al pilote producidas por la falla fuste–suelo o suelo–suelo, puede expresarse de forma genérica como:
Qfricción = f (Pp, Lp, fo) Pp – Perímetro del pilote.
Lp – Longitud del pilote.
fo – Fricción unitaria del estrato.
Para este caso el mecanismo de rotura puede producirse por la superficie de contacto pilote - suelo o suelo - suelo. Para el primer caso la fricción viene dada por la adherencia o fricción en la superficie de contacto y en el segundo a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo inmediatamente adyacente al pilote.
Para pilotes instalados en arcillas, un método tradicionalmente utilizado [Delgado (1999)]
para el cálculo de la fricción unitaria, ha sido por muchos años, el de definir un factor de adherencia α, como la relación entre la adherencia (Ca) y la resistencia al corte no drenado (Cu), es decir:
Cu
= Ca
α Exp (1.30)
y correlacionarlo empíricamente con Cu a partir de resultados de pruebas de carga sobre pilotes. Debido a la propensión general observada en este coeficiente de adherencia α, a disminuir con el crecimiento de la resistencia al corte, se han realizado varias tentativas para identificar esta dependencia por medio de la correlación entre α y Cu. Además en la literatura consultada se utiliza el método λ basado en un coeficiente de presión de empuje de suelo (Tomlinson 2004).
Dentro de los enfoques actuales para la determinación del aporte a fricción se encuentran:
a) La Propuesta de Norma (1989) establece el mecanismo de falla en función del tipo de suelo estableciendo de forma general:
= Pp Li foi
Qfricción · ·
Exp (1.31)Para suelo ϕ (Falla pilote – suelo).
foi – Función de (β,qfm) y β es un coeficiente de la resistencia a fricción en el fuste.
β = Ks·m·tanϕ Exp (1.32)
m – Evalúa el material del pilote.
Ks – Coeficiente de empuje (estado pasivo o de reposo en función de la forma de colocación del pilote).
Las correlaciones más recientes Das (2000) se basan en el coeficiente de empuje lateral de tierras en reposo, Ko y la relación de sobreconsolidación (OCR) cuya determinación confiable exige métodos refinados de investigación del subsuelo en el terreno y en laboratorio.
Para suelo C. (falla suelo – suelo)
25 foi = α· Cu Exp (1.33) Cu – Adherencia o cohesión no drenada del suelo.
α - Coeficiente que depende de la cohesión.
Miguel León (1980):
= Pp li fo
Qfricción ·
Exp (1.34) Para suelos friccionales (ϕ)fo – Función de qp y α·φ, que es un coeficiente que depende del ángulo de fricción interno y se recomienda tomar los valores de Vesic (1977)
Para suelos cohesivos: fo = α·Cu Exp (1.35)
En este caso el valor de fo, está en función del valor de Cu, de la forma de instalación y del empuje que se genere.
b) Menzembach (1968a):
En suelos cohesivos.
Qfricción =Pp· Σα·Cu Exp (1.36)
α - Coeficiente de adhesión del fuste, depende del tipo de pilote y también de la resistencia a cortante del suelo.
c) Jiménez (1986):
Qfricción = Pp·ΣL·fs Exp (1.37)
fs = α·Cu Exp (1.38) α - Factor de adhesión o relación entre la resistencia a corte sin drenaje. Rogel (1987) coinciden con la propuesta de Woodward.
Para el caso de suelo ϕ, no se dispone de tantos datos experimentales fiables como para evaluar la resistencia por punta y su deformabilidad, salvo las muy conocida de Vesic y Kerisel. (1977)
Fs = ko·σv·tanδ Exp (1.39)
ko – Coeficiente de empuje de reposo.
σv – Tensión efectiva vertical.
Pero como resulta difícil evaluar ko·σv, se engloba en un coeficiente β, función de la densidad relativa.
En las metodologías analizadas anteriormente merece un comentario qué valor toma el coeficiente de empuje del suelo (ko). Tanto Miguel León y Menzembach (1968) coinciden en tomar ks como el estado pasivo de Rankine, suponiendo que producto de la colocación del pilote en el suelo (“in-situ” o prefabricado) no habrá desplazamiento lateral de este último, algo que evidentemente no ocurre cuando se hinca un pilote, pero que se podría
26 alcanzar con el tiempo. Para el caso de suelos cohesivos (falla suelo – suelo, de forma general) se afecta la cohesión Cu por un valor α, que depende de varios factores.
Resultados más recientes Ibañez (2001), Das (2001) proponen tomar valores intermedios entre el empuje pasivo y activo.
Autor. Expresión. Valor.
Das (1999). 1-sen(ϕ) 0.66 ∼ 0.36
Mayne y Kulhway (1991) (1-sen(ϕ))·OCR sen(ϕ) 0.69 ∼ 0.54 American Petroleum Institute . API (1984) - 1.00 ∼ 0.80
Modelo
) 25 sen(
) ))· sen(
sen(
1
( − ϕ ϕ
s =
k 0.63 ∼ 0.54
Tabla 1.2. Valor del coeficiente de empuje propuesto por diferentes autores.
A continuación se analizan otras expresiones utilizadas por el enfoque tradicional para determinación del aporte a fricción.
De forma genérica estas expresiones pueden resumirse de igual manera como:
Qfricción = Pp·ΣL·fs Exp (1.40)
fs = Función (cohesión, tensión horizontal, estado que se considere, ángulo de fricción interna). Falla suelo – suelo. Fallo suelo –pilote.
d) La fórmula de Meyerhof (1976) establece la siguiente expresión en función del mecanismo de falla que se genere en las caras del pilote:
=
= fricción Pp li foi
Q • •
Exp (1.41)foi – Fricción lateral que depende del tipo de falla (suelo – suelo o suelo – pilote) foi = C´+ σh·tanϕ para la falla suelo – suelo.
foi = Ca + σh·tanδ para la falla suelo – pilote.
Ca – Adherencia (función de la cohesión).
δ - Ángulo de rozamiento entre el suelo y la superficie del pilote.
σh – presión horizontal sobre le fuste. Función de la presión lateral y del estado que se considere.
e) Ramón Barbey Sánchez (1978):
= Pp li fsi
Q
fricción• •
Exp (1.42) fsi = Ca + kf·σv·tanδ Exp (1.43) f) Para suelos cohesivos y friccionales, la propuesta de norma cubana(1989) establece que:27
gf oi f
f Li Q Pp
γ
⋅=
Exp (1.44) Donde:
foi*: Fricción unitaria promedio minorada del estrato i (kPa).
Pp: Perímetro del pilote (m).
Li: Potencia del estrato i (m).
γgf: Coeficiente de minoración de la fricción unitaria que tiene en consideración el tipo de pilote.
Sowers (1977) y Bowles (1984) siguen procedimientos similares a los anteriores, definiéndose el coeficiente de presión de tierra ko, en dependencia del emplazamiento del pilote y de la compresibilidad del suelo. Como se puede apreciar vuelve a surgir como interrogante el empuje que se genera alrededor del pilote.
Como se ha analizado, las expresiones utilizadas en los enfoques actuales, son válidas para suelos puramente ccohesivos (suelo c) o suelos puramente friccionales (suelo ϕ). Para el caso de la presencia de suelos c-ϕ, se recurre a una solución ingenieril donde se transforma el suelo en uno puramente cohesivo o puramente friccional utilizando las siguientes expresiones:
Si ϕ < 25. Suelo predominantemente cohesivo:
)) 1
· 2 sen(
1 (
)
·cos(
)
·sen(
− +
= +
A C
Ceq qfm ϕ ϕ
Exp (1.45) Si ϕ > 25. Suelo predominantemente friccional:
qfm Ks
C tan qfm tan Ks
eq
tan •
• ) •
( 1
1 = − +
− ϕ ϕ Exp (1.46) Ks = 1 – senϕ (Empuje pasivo de Rankine) Exp (1.47) 1.6.4 Pilotes apoyados en roca.
La resistencia en punta para estos casos será de forma genérica:
Qp = f (Ap, R) Exp (1.48) Ap es el área de la punta del pilote, R es la resistencia a compresión de los núcleos de roca o de suelo bajo la punta y está en función del valor medio de la resistencia límite a compresión axial de la roca, en las condiciones de humedad natural (Wnat), del coeficiente que toma en cuenta la profundidad a la que penetra el pilote en la roca(dr) y del porcentaje de recuperación de pedazos de núcleos de roca mayores de 10 cm de longitud con respecto a la longitud del sondeo (Ksq).
Matemáticamente se expresa:
Qp = Ap*R Exp (1.49) En estos pilotes, como se expresa, el aporte en punta (en la mayoría de los casos) dependerá del área en la punta del pilote y de la resistencia que presenta el suelo o la roca bajo la punta (Eo >100 000 KPa). En ellas se evalúan todos los factores que influyen en el diseño y la diferencia que existe entre la mayoría de los autores radica en la forma de obtención del factor de profundidad (dr). En esencia, con la utilización de estos métodos se
28 garantiza que el estado tensional en la roca o en el suelo, sea menor que el permisible en el mismo.
a) La Propuesta de Norma se basa en este mismo planteamiento.
En la siguiente tabla se resume como abordan el pilotaje sobre roca otros autores.
Autor Expresiones
Propuesta de Norma
Qp = Ap* R
gr dr R R Ksq• •
= γ dr = (1 +0.4
D
LE ) ≤ 3.5 Miguel León Qv = Ap · qu · Ksp · d
d LE
=0 8. +0 2. · D ≤2 E A d Ksp E
/
• 300 1
• 10
/ 3
+
= +
Norma Soviética P = K·m·Rnor·Ap
Tabla 1.3.Expresiones propuestas por diferentes autores para el pilotaje sobre rocas Metodología para cimentaciones en rocas:
Se presenta un pequeño compendió de las principales teorías disponibles y representativas del estado de la práctica para la evaluación de la Capacidad de carga de pilotes, cimentados en macizos rocosos.
Capacidad portante última por punta, q máx.:
Capacidad portante última por punta, q máx.
Autor
f(RQD) Peck y otros,1974
(5 a 8)σc (1) Teng,1962
3 σc Coates,1967
2.7 σc Rowe and Armitage,1987
4.5 σc≤10Mpa σc: Compresión Inconfinada Argema,1992
JcNcr Kulhawy y Goodman,1980
3 σc Ksp D Canadian foundation engineering
Manual,CGS,1992 (3 a 6.6) (σc)^0.5. Valor medio=4.8 Zhang y Einstein,1998
Nms* σc AASHTO,1989
(S^0.5+(m S^0.5+ S)^0.5) σc Hoek y Brown,1980 Tabla 1.4. Capacidad Portante Última por Punta
Resistencia lateral o tensión última, fs o qs. Varios autores consideran que bajo determinadas condiciones se puede considerar el aporte a fricción en pilotes que atraviesan estratos rocosos.
29
Resistencia lateral Autor
Fs/Pa=Ψ(σc/2Pa)'0.5.Para σc≥2.5N/m2 donde:
Ψ=1, superficie lisa
Ψ=2, Valor medio en rocas.
Ψ=3, superficie rugosa
Kulhawy y Phoon,1993
Fs=0.05 σc Australian Piling Code
Fs=α*β* σc Williams y otros,1980
Fs= a*( σc)^0.5
Para pilotes de gran diámetro, a =0.20 a 0.25
Horvath y Kenney,1979 Fs= a*( σc)^0.5
a=0.45 Para rugosidad R1,R2 y R3 a=0.60 Para rugosidad R4
Rowe y Armitage,1984
Fs=0.375(σc)^0.515 Rosenberg y Journeaux,1976
Fs= 0.4*( σc)^0.5 para superficie lisa Fs= 0.8*( σc)^0.5 para superficie rugosa
Zhang y Einstein,1998
Fs= 0.15*( σc) Reese y O'Neill,1987
Fs= 0.63*( σc)^0.5 Carter y Kulhawy,1988
Una vez realizado el estudio de las expresiones para la determinación de la capacidad de carga en pilotes podemos resumir que:
1. Existen diferentes criterios para la determinación de la tensión vertical en la punta del pilote (q´) y en la determinación de la profundidad crítica (Zc) a partir de la cual el estado tensional vertical permanece casi constante, lo que influye en los resultados finales para el cálculo de la carga a fricción y en punta en suelos friccionales.
2. Existen diferencias entre los coeficientes de capacidad de carga Nq y Nc que se utilizan para el diseño, debido a la hipótesis utilizada para su obtención.
3. Existe incertidumbre en la obtención del coeficiente de empuje lateral de tierra (ks), ya que al calcular el estado tensional alrededor del pilote no se considera la discontinuidad que este crea en el medio.
4. Se acepta por los especialistas determinar para el caso de pilotes en rocas el aporte en punta y el aporte a fricción, aspecto que no lo tiene en cuenta la propuesta de norma cubana.
1.7 Estudio y crítica de las expresiones para el cálculo de las deformaciones.
Es muy difícil determinar los asientos mediante métodos sencillos de cálculo. Lo más apropiado es realizar pruebas de carga, lo que puede resultar muy costoso. El asiento de un pilote se debe a dos términos, uno de deformación del propio pilote y otro de deformación del terreno.
La comprobación de asientos es innecesaria en pilotes columna sobre roca, en arenas densas y en arcillas duras. La deformación del pilote puede determinarse como:
Exp (1.50)
30 Para el caso de los asentamientos, después del Congreso de Montreal de 1965, se desarrollaron varios trabajos Feming (1992), Lee (1993), con el empleo de la ecuación de Midlin, integrada numéricamente. Sus aplicaciones vienen dadas a terrenos que se comporten como un sólido elástico lineal. Como bien plantea Jiménez (1986), para suelos granulares, donde el incremento del módulo de deformación depende de la profundidad, debía verse con criterios muy restrictivos. Feming (1992), Randolph y Wroth (1980), realizaron el estudio de las deformaciones alrededor del pilote, trabajos que se complementaron con la modelación por elementos finitos de Frank (1994). En ellos se puede apreciar que el terreno alrededor del pilote se deforma como una serie de tubos, con gran aproximación a cilindros, sin que las deformaciones que se producen en el terreno de la cabeza y de la punta tengan gran importancia sobre los resultados. En estos trabajos no se tuvo en cuenta la variación de módulo de deformación, visto anteriormente, pero se estableció un modelo muy sencillo de interacción suelo estructura. En 1988, Luker adopta un modelo hiperbólico de comportamiento de suelo y como el gradiente de disipación de los esfuerzos tangenciales al alejarse de las superficies es muy grande, él define una capa limite, en la cual las deformaciones son grandes, por lo tanto el módulo G de deformación transversal es bajo. El problema se resuelve con un algoritmo sencillo en diferencias finitas, en forma iterativa, pero queda por ver la determinación de los parámetros necesarios.
Invariantes para la determinación de las deformaciones en la base de las cimentaciones sobre pilotes.
La deformación total depende de:
Deformación debida a la compresión del propio pilote:
Deformación debida a la consolidación del suelo en la punta del pilote.
Deformación debida a la compresión del propio pilote:
Carga total.
Dimensiones del Pilote (Área de la punta y perímetro).
Longitud del pilote.
Ancho o diámetro del pilote.
Módulo de Elasticidad del material del Pilote.
Deformación debida a la consolidación del suelo en la punta del pilote.
Carga total.
Carga en el fuste.
Carga en la punta.
Variación del estado tensional.
Modelo del comportamiento del suelo.
Modelos de comportamiento lineal, elástico, hiperbólico.
Parámetros que caracterizan el modelo.
Dimensiones del pilote (área de la punta).
Ancho o diámetro del pilote.
Aquí el problema básico es determinar la distribución de tensiones en el subsuelo debido a la carga de un pilote o grupo de pilotes. Menzenbach (1968b) plantea que como la relación
31 profundidad diámetro del pilote es usualmente alta, es necesario determinar la distribución de tensiones bajo la base del pilote para un área que está actuando dentro del espacio semi - infinito elástico e isotrópico. Debe advertirse que las tensiones bajo una cimentación profunda son más pequeñas que para un área cargada que descansa en la superficie del espacio semi – infinito [Milovic (1998)].
El asiento de un grupo excederá al de un pilote aislado que soporte la misma carga que cada uno de los del grupo, a menos que los pilotes se apoyen en roca o en un estrato grueso de suelo incompresible. El asentamiento del grupo se puede calcular suponiéndose que el grupo representa una cimentación gigantesca según la Propuesta de Norma (1989).
Como conclusion de lo anterior se tiene que cada uno de los métodos aborda un tópico de la problemática del cálculo de las deformaciones o son válidas para situaciones marcadas.
1.7.1 Cálculo de los asentamientos para el pilote aislado.
a) Métodos empíricos: están basados en la recopilación de ensayos o son una recomendación de los diferentes autores. Meyerhof (1960) plantea que el asentamiento depende del diámetro del pilote. Aschenbrenner y Olson (1968) también lo ponen en función del diámetro. Menzenbach (1968a) hace mención a resultados similares para 60 pruebas de cargas en diferentes tipos de suelos.
b) Los procedimientos elásticos están basados en la integración de las soluciones de Midlin (1973) al caso de una fuerza concentrada en el interior de un semiespacio de Boussinesq. En ellos el pilote y el cabezal se consideran por separado y sometidos a fuerzas iguales y contrarias. Su aplicación es acertada en arcillas donde se asume que el módulo de elasticidad es constante con la profundidad. Vesic (1977) plantea que el asentamiento de la cabeza de un pilote puede separarse, en el asiento debido a la compresión axial del propio pilote, asiento de la punta causado por la carga que dicha punta aplica sobre el suelo y el asentamiento de la punta causado por las distintas cargas trasmitidas al terreno a lo largo del fuste.
c) Métodos experimentales. Borland, Butler y Duncan (1966) para el caso de arcillas en Londres, consideran un comportamiento lineal del suelo. Kezdi (1964) determinó que para el eje de un área cargada circular cimentada a profundidad, empleando la ecuación para la tensión bajo una carga puntual, el asentamiento depende del diámetro del pilote, la tensión bajo la base del pilote, el módulo de compresibilidad del suelo y de tres factores de influencia. La Propuesta de Norma (1989) propone convertir la cimentación sobre pilotes en una cimentación ficticia con ancho en función del tipo de suelo y seguir la misma
