ASENTAMIENTO DE PILOTES 1. CIMENTACIÓN
1.1. DEFINICIÓN: DEFINICIÓN: Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales de una edificación cuya misión es transmitir sus cargas o elementos apoyados en ella al suelo, distribuyéndolas de forma que no superen su presión admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soporta, el área de contacto entre el suelo y la cimentación debe ser proporcionalmente más grande que los elementos soportados, excepto en suelos rocosos muy coherentes. La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la superestructura. La estabilidad de una edificación depende en gran medida del tipo de terreno sobre el que se asienta. 1.2. TIPOS: TIPOS: La elección del tipo de cimentación depende especialmente de las características mecánicas del terreno, como su cohesión, su ángulo de rozamiento interno, posición del nivel freático y también de la magnitud de las cargas existentes. A partir de todos esos datos se calcula la capacidad portante, que, junto con la homogeneidad del terreno, aconsejan usar un tipo u otro diferente de de cimentación. Siempre que es posible se emplean cimentaciones superficiales, ya que son el tipo de cimentación menos costoso y más simple de ejecutar. Cuando por problemas con la capacidad portante o la homogeneidad del mismo no es posible usar cimentación superficial se valoran otros tipos de cimentaciones. Los tipos de cimentación son los siguientes:
CIMENTACIONES SUPERFICIALES Son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y relativamente livianas. En este
tipo de cimentación, la carga se reparte en un plano de apoyo horizontal. En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones, incluso las superficiales, se apoyan a suficiente profundidad como para garantizar que no se produzcan deterioros. Las cimentaciones superficiales se clasifican en: -Cimentaciones ciclópeas. -Zapatas. -Zapatas aisladas. -Zapatas corridas. -Zapatas combinadas. -Losas de cimentación
CIMENTACIONES SEMIPROFUNDAS -Excavando uno de los pozos de cimentación para un puente. El tubo de hormigón (concreto) se va hundiendo a medida que se excava. En este caso se llegó a 24 m de profundidad. -Pozos de cimentación o caissons: Son en realidad soluciones intermedias entre las superficiales y las profundas, por lo que en ocasiones se catalogan como semiprofundas. Algunas veces estos deben hacerse bajo agua, cuando no puede desviarse el río, en ese caso se trabaja en cámaras presurizadas. -Arcos de ladrillo sobre machones de hormigón o mampostería . -Muros de contención bajo rasante: no es necesario anclar el muro al terreno. -Micropilotes, son una variante basada en la misma idea del pilotaje, que frecuentemente constituyen una cimentación semiprofunda.
CIMENTACIONES PROFUNDAS Se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las cargas aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno. Deben ubicarse más profundamente, para poder distribuir sobre una gran área, un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en cimentaciones profundas son: Pilotes: son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno (pilotes de extracción ejecutados in situ). Antiguamente eran de madera, hasta que en los años 1940 comenzó a emplearse el hormigón. Pantallas: es necesario anclar el muro al terreno. -pantallas isostáticas: con una línea de anclajes
-pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.
2. PILOTES
2.1. DEFINICIÓN: Los pilotes son elementos estructurales que están hechos de acero, concreto o madera. Se utilizan para construir cimentaciones con pilotes, que son profundas y cuestan más que las cimentaciones superficiales. A pesar de su costo, el uso de pilotes con frecuencia es necesario para asegurar la seguridad estructural. 2.2. CONDICIONES DE UTILIZACIÓN:
Cuando uno o más estratos de suelo son ligeramente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura, los pilotes se utilizan para transmitir la carga al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más fuerte, como se muestra en la figura 11.1a. Cuando no se encuentra un lecho de roca a una profundidad razonable debajo de la superficie del terreno, los pilotes se emplean para transmitir la carga estructural de manera gradual al suelo. La resistencia a la carga estructural aplicada se deriva principalmente de la resistencia por fricción desarrollada en la interfaz suelo-pilote. (Consulte la figura 11.1b).
Cuando se someten a fuerzas horizontales (consulte la figura 11.1c), las cimentaciones con pilotes resisten por flexión, mientras soportan la carga vertical transmitida por la superestructura. Este tipo de situación por lo general se encuentra en el diseño y construcción de estructuras de retención de tierra y de cimentaciones de estructuras altas que están expuestas a vientos fuertes o a fuerzas sísmicas.
En muchos casos, los suelos expansivos y colapsables están presentes en el emplazamiento de una estructura propuesta. Estos suelos se pueden extender hasta una gran profundidad debajo de la superficie del terreno. Los suelos expansivos se hinchan y contraen conforme su contenido de humedad aumenta o disminuye, y la presión de expansión puede ser considerable. Si en esas circunstancias se utilizan cimentaciones superficiales, la estructura puede sufrir un daño notable. Sin embargo las cimentaciones con pilotes se pueden considerar como una alternativa cuando los pilotes se extienden más allá de la zona activa, que es donde ocurre la expansión y contracción. (Consulte la figura 11.1d). Los suelos como los loess son de naturaleza colapsable. Cuando su contenido de humedad aumenta, su estructura puede romperse. Una disminución repentina en la relación de vacíos del suelo induce asentamientos grandes de las estructuras soportadas por cimentaciones superficiales. En esos casos, se pueden emplear cimentaciones con pilotes, en donde los pilotes se extienden hasta los estratos de suelo estable más allá de la zona donde cambiará la humedad.
Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y losas de sótanos debajo del nivel freático, están sometidas a fuerzas de levantamiento. Los pilotes en ocasiones se utilizan para estas cimentaciones con el fin de resistir la fuerza de levantamiento. (Consulte la figura 11.1e).
Los estribos y las pilas de puentes suelen construirse sobre cimentaciones de pilotes para evitar la pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial podría sufrir debido a la erosión del suelo en la superficie del terreno. (Consulte la figura 11.1f).
2.3. CLASIFICACIÓN:
SEGÚN EL MATERIAL: PILOTES DE MADERA: Los siguientes son algunos datos generales de los pilotes de madera: -Cargas de 15 a 30 [Ton] por pilote. -Longitud de 10-30 [m]. -El ø oscila 30-45 [cm], con una punta no menor de 15[cm].
PILOTES DE ACERO: Los siguientes son algunos datos generales de los pilotes de acero: -Longitud usual: 15 a 60 m -Carga usual: 300 a 1200 kN Ventajas: -Fácil manejo con respecto al corte y a la extensión a la longitud deseada. -Pueden soportar esfuerzos de hincado altos. -Pueden penetrar estratos duros como grava densa y roca suave. -Alta capacidad de soporte de carga. Desventajas: -Relativamente costosos. -Alto nivel de ruido durante su hincado. -Expuestos a la corrosión. -Los pilotes H se pueden dañar o flexionar de la vertical durante su hincado a través de estratos duros o al pasar por obstrucciones mayores.
PILOTES DE CONCRETO: Los siguientes son algunos datos generales de los pilotes de concreto: - Longitud usual: 10 a 15 m -Carga usual: 300 a 3 000 kN Ventajas: -Se pueden someter a un hincado pesado. -Resistentes a la corrosión. -Es fácil combinarlos con una superestructura de concreto. Desventajas: - Difícil de lograr su corte deseado. -Difíciles de transportar.
2.4.ESTIMACIÓN DE LA LONGITUD DE UN PILOTE La selección del tipo de pilote que se utilizará y la estimación de su longitud necesaria son tareas muy difíciles que requieren buen juicio. Los pilotes se pueden dividir en tres categorías principales, dependiendo de su longitud y de los mecanismos de transferencia de carga al suelo: a) pilotes de carga de punta, b) pilotes de fricción y c) pilotes de compactación.
PILOTES DE CARGA DE PUNTA: Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de lecho de roca o de un material rocoso en un emplazamiento dentro de una profundidad razonable, los pilotes se pueden prolongar hasta la superficie de la roca. (Consulte la figura 11.6a). En este caso, la capacidad última de los pilotes depende completamente de la capacidad de soporte de carga del material subyacente; entonces son denominados pilotes de carga de punta. En la mayoría de estos casos, la longitud necesaria del pilote se puede establecer muy fácil. Si en vez de un lecho de roca, se encuentra un estrato muy compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se pueden prolongar algunos metros dentro del estrato duro. (Consulte la figura 11.6b.) Los pilotes con pedestales se pueden construir sobre el lecho del estrato duro y la carga última del pilote se puede expresar como:
= +
Donde: Qp= carga soportada en la punta del pilote . Qs= carga soportada por la fricción superficial desarrollada en los lados del pilote(causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote) Si Qs es muy pequeña,
≈
En este caso, la longitud requerida del pilote se puede estimar con precisión si se dispone de registros apropiados de la exploración del subsuelo.
PILOTES DE FRICCIÓN Cuando no se encuentra un estrato de roca o de un material rocoso a una profundidad razonable en un emplazamiento, los pilotes de carga de punta resultan muy largos y antieconómicos. En este tipo de subsuelo, los pilotes se hincan a través del material más suave hasta las profundidades especificadas. (Consulte la figura 11.6c.) La carga última de los pilotes se puede expresar por la ecuación (11.5). Sin embargo, si el valor de Qp es relativamente pequeño, entonces:
≈ Estos pilotes se denominan pilotes de fricción, debido a que la mayoría de su resistencia se deriva de la fricción superficial. Sin embargo, el término pilote de fricción, aunque se utiliza con frecuencia en la bibliografía técnica, es un término inapropiado: en suelos arcillosos, la resistencia a la carga aplicada también se ocasiona por adhesión. La longitud de los pilotes de fricción depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Para determinar la longitud necesaria de estos pilotes, un ingeniero necesita comprender muy bien la interacción suelo-pilote, tener buen juicio y experiencia. Los procedimientos teóricos para calcular la capacidad de soporte de carga de pilotes se presentan más adelante en este capítulo.
PILOTES DE COMPACTACIÓN En ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr una compactación adecuada del suelo cerca de la superficie del terreno. Estos pilotes se denominan pilotes de compactación. La longitud de los pilotes de compactación depende de factores como a) la densidad relativa del suelo antes de la compactación, b) la densidad relativa deseada del suelo después de la compactación y c) la profundidad de compactación requerida. Estos pilotes por lo general son cortos; sin embargo, se necesitan realizar algunas pruebas de campo para determinar una longitud razonable.
2.5.ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN PILOTE La capacidad de soporte de carga última Qu de un pilote se determina por la ecuación:
= + : Donde
Qp= capacidad de soporte de carga de la punta del pilote Qs= resistencia por fricción (fricción superficial) derivada de la interfaz suelo-pilote (consulte la figura 11.11)
Capacidad de carca de la punta, Qp En general, la capacidad de soporte de carga última se puede expresar como:
=´∗+∗+∗
donde N*c, N*q y N*y son los factores de capacidad de carga que incluyen los factores de forma y profundidad necesarios. Las cimentaciones con pilotes son profundas. Sin embargo, la resistencia última por área unitaria desarrollada en la punta de un pilote, qp, se puede expresar mediante una ecuación similar en forma a la ecuación (11.10), aunque los valores de N*c, N*q y N*y c ambiarán. La notación utilizada en este capítulo para el ancho de un pilote es D. De aquí, al sustituir D por B en la ecuación (11.10) da:
=´∗+∗+∗
Debido a que el ancho D de un pilote es relativamente pequeño, el término se puede omitir en el lado derecho de la ecuación anterior sin introducir un error considerable; entonces, se tiene:
=´∗+∗
Observe que el término q se reemplazó por q´ en la ecuación anterior para denotar el esfuerzo vertical efectivo. Por lo tanto, la capacidad de punta de los pilotes es:
= ∗ ´∗ ´∗
Donde: A p = 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, Qs La resistencia por fricción, o superficial, de un pilote se puede escribir como:
Σ ∗ Δ∗ : Donde
P = perímetro de la sección del pilote ΔL = longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes f = resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z Los diversos métodos para estimar Qp y Qs se analizan en varias de las secciones siguientes. Es necesario enfatizar que, en el campo, para una movilización total de la resistencia de punta (Qp), la punta del pilote debe desplazarse de 10 a 25% del ancho del pilote (o diámetro). Carga permisible, Qperm Después de que se ha determinado la capacidad de soporte de carga última total sumando la capacidad de carga de punta y la resistencia por fricción (o superficial), se debe utilizar un factor de seguridad razonable para obtener la carga permisible para cada pilote, o
=
Donde Q perm = capacidad de soporte de carga permisible para cada pilote FS = factor de seguridad El factor de seguridad utilizado en general varía de 2.5 a 4, dependiendo de las incertidumbres asociadas con el cálculo de la carga última. Existen varios métodos para calcular la magnitud de con el método sugerido por Meyerhof (1976).
. En lo adelante se trabajará
Capacidad de carga de un pilote de punta en arena. La capacidad de carga por punta de un pilote en arena ( profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo.
) crece con la
Cómo se anula el término de cohesión en la ecuación (8), la resistencia unitaria por punta quedaría como:
′ ∗
(9)
Donde: : esfuerzo vertical efectivo al nivel de la punta del pilote. : factor de capacidad de carga.
′∗
Los factores de capacidad de carga pueden ser encontrados en la figura 7, en función del ángulo de fricción interna ( ) del material donde esta apoyada la punta del pilote.
∅
Meyerhof señaló que la capacidad de carga de punta, q p, de un pilote en arena generalmente aumenta con la profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo y alcanza un valor máximo para una razón de empotramiento de LbID = (Lb /D)cr . Note que en un suelo homogéneo, Lb es igual a la longitud real de empotramiento del pilote, L (véase la figura 6). Sin embargo, en la figura 2b, donde un pilote ha penetrado en un estrato de apoyo, Lb < L. Más allá de la razón crítica de empotramiento, ( L b I D) c n el valor de q p permanece constante ( q p = q L ). Es decir, como se muestra en la figura 7b para el caso de un suelo homogéneo, L = Lb. Por consiguiente, Q p no debe exceder el valor límite, o A pqL , por lo que debe garantizarse en los cálculos que:
∙′∙ ∗ ≤ ∙
(10)
Meyerhof plantea que la resistencia de punta límite se obtiene como:
∅
0.5∙ . ∗ ∙ ∅
es el ángulo de fricción interna en el estrato de apoyo. = presión atmosférica (=100 KN/m2)
Figura 7
(11)
Capacidad de carga de un pilote de punta en arcilla (ø = 0) Para pilotes en arcillas saturadas en condiciones no drenadas, la carga última neta se puede dar como
~ ∗ 9
Capacidad de carga por fricción, La resistencia por fricción o superficial de un pilote se escribe como:
∑∙∆∙ Donde: : perímetro de la sección del pilote. : longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes (figura 8a). : resistencia unitaria última por fricción a cualquier profundidad z.
∆
Figura 8 Resistencia unitaria de fricción para pilotes en arena.
Resistencia por fricción en arenas. La resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad para un pilote es:
∙ ∙tan
Donde: k: coeficiente efectivo de la tierra o de presión de tierra. : esfuerzo vertical efectivo promedio a la profundidad consideración. δ: ángulo de fricción suelo-pilote.
En realidad, la magnitud de k varía con la profundidad. Es aproximadamente igual al coeficiente de presión pasiva de tierra de Rankine, K p, en la parte superior del pilote y es menor que el coeficiente de presión de tierra en reposo, K o, en la punta del pilote, y también depende de la naturaleza de la instalación del pilote. Con base en los resultados disponibles actualmente, los siguientes valores promedio de K son recomendados para usarse en la ecuación (16) Los valores de k correspondientes al límite superior pueden tomarse en el siguiente orden:
El esfuerzo vertical efectivo, , aumenta con la profundidad del pilote linealmente hasta un límite máximo a una profundidad de 15 a 20 diámetros del pilote y permanece constante después, como muestra la figura 9b. Esta profundidad crítica, L', depende de varios factores,
como el ángulo de fricción del suelo, la compresibilidad y la compacidad relativa. Una estimación conservadora es suponer que:
∅ ∅
15∙
Los valores de δ de varios investigadores parecen estar en el rango de 0,5 a 0,8 . Debe usarse buen juicio al escoger el valor de δ.
Meyerhof (1976) también indicó que la resistencia por fricción unitaria promedio, f prom, para pilotes hincados de alto desplazamiento se obtiene de los valores de la resistencia a la penetración estandar promedio como:
2
Donde = valor promedio de la resistencia a la penetración estándar. Para pilotos hincados de bajo desplazamiento;
entonces, Resistencia por fricción en arcillas.
Se dispone de varios métodos para obtener la resistencia unitaria por fricción (o superficial) de pilotes en arcilla. Tres de los procedimientos actualmente aceptados son método , método y método . A seguidas abordamos el método
∝
λ
β
α
α ∙
Según el método , la resistencia unitaria superficial en suelos arcillosos se representa por la ecuación:
donde: : factor empírico de adhesión. La variación aproximada del valor de
α
cu ≤
m ,
∝1
α
se muestra en la figura 9. Note que para arcillas normalmente consolidadas con aproximadamente 50 kN/ tenemos . Entonces:
∑∆∑∝∆ CU: cohesión no drenada de la arcilla.
En caso de estar estratificado el suelo que atraviesa el pilote, la cohesión que se usará será la media ponderada de los valores de cohesión en cada tramo o estrato diferente.
Figura 9. Variación de con la cohesión no drenada de la arcilla. 2.6.ASENTAMIENTO DE PILOTES: El asentamiento de un pilote bajo una carga de trabajo vertical, Qw, es causado por tres factores:
Donde: = asentamiento elástico del pilote = asentamiento del pilote causado por la carga en la punta del pilote = asentamiento del pilote causada por la carga transmitida a lo largo del fuste del pilote
Si el material del pilote se supone elástico, la deformación del fuste del pilote se puede evaluar, de acuerdo con los principios fundamentales de la mecánica de materiales, como:
( )
Donde: = carga soportada en la punta del pilote en condición de carga de trabajo
= carga soportada por la resistencia por fricción (superficial) en condición de carga de trabajo = área de la sección transversal del pilote L = longitud del pilote = módulo de elasticidad del material del pilote
La magnitud de varía entre 0.5 y 0.67 y dependerá de la naturaleza de la distribución de la resistencia por fricción (superficial) unitaria f a lo largo del fuste del pilote. El asentamiento de un pilote ocasionado por la carga soportada en la punta del pilote se puede expresar en la forma:
1−
Donde: D = ancho o diámetro del pilote
= carga puntual por área unitaria en la punta del pilote =
= módulo de elasticidad del suelo en o debajo de la punta del pilote = relación de Poisson del suelo = factor de influencia < 0.85
Vesic (1977) también propuso un método semiempírico para obtener la magnitud del asentamiento de Se(2). Su ecuación es:
Donde: = resistencia última en la punta del pilote = un coeficiente empírico
Los valores representativos de
para varios suelos se indican en la tabla 11.13.
El asentamiento de un pilote causado por la carga soportada por el fuste del pilote se obtiene de una relación similar a la ecuación (11.74), que es:
1−
Donde: p = perímetro del pilote L = longitud empotrada del pilote = factor de influencia
Observe que el término
⁄
en la ecuación (11.76) es el valor promedio de f a
lo largo del fuste del pilote. El factor de influencia, simple (Vesic, 1977):
20. 3 5
, tiene una relación empírica
Vesic (1977) también propuso una relación empírica simple similar a la ecuación (11.75) para obtener :
En esta ecuación, valores de 11.13.
0.930.16√ ⁄
= una constante empírica =
(11.79) Los
para utilizarlos en la ecuación (11.75) se pueden estimar de la tabla
