UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA
CIMENTACIONES
DR. JOSÉ ERNESTO CASTELLANOS CASTELLANOS
9° GRUPO “A”
INVESTIGACIÓN
INTEGRANTES DEL EQUIPO: BAUTISTA PÉREZ ELISEO ESAÚ HERNÁNDEZ MÁRQUEZ ROMÁN RAFAEL VARGAS GERARDO CARLOS EDUARDO TUXTLA GUTIÉRREZ, CHIAPAS; 09 DE NOVIEMBRE DE 2011.
Contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 3 1.-PILAS Y PILOTES, Y SU CLASIFICACION ............................................................................................ 4 1.1 Pilotes de acero ......................................................................................................................... 5 1.2 Pilotes de concreto .................................................................................................................... 6 1.3 Pilotes de madera...................................................................................................................... 7 2.-CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DE PILOTES. ........................................................................... 8 2.1 Características de pilotes de acero. .......................................................................................... 8 2.2 Características de pilotes de concreto. ..................................................................................... 8 2.3 Características de pilotes de madera. ..................................................................................... 10 3.-MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA ............................................................................. 11 4.-CAPACIDAD DE CARGA DE PILOTES Y GRUPO DE PILOTES .................. ........................... .................. .................. .................. .............. ..... 12 4.1 Capacidad de carga de pilotes................................................................................................. pilotes. ................................................................................................ 12 4.1.1 Suelos cohesivos ............................................................................................................... 12 4.1.2 Suelos granulares ............................................................................................................. 15 4.1.3 Rocas. ............................................................................................................................... 16 4.2 Grupo de pilotes. ..................................................................................................................... 17 4.2.1 Eficiencia de Grupo .......................................................................................................... 17 5.-FÓRMULAS PARA EL HINCADO DE PILOTES .................................................................................. 18 6.-ASENTAMIENTO DE PILOTES Y GRUPO DE PILOTES ........... .................... .................. .................. .................. .................. ................... .............. .... 19 6.1 Asentamientos por consolidación para grupos de pilotes en suelos cohesivos ............... ..................... ...... 19 6.2 Asentamientos elásticos para pilotes en suelos no cohesivos................... ........................... ................... ................... ........... 20 6.3 Asentamiento de un Pilote Individual en Arcilla. .................................................................... 20 6.4 Asentamiento de Pilotes P ilotes dentro de un Grupo en Arcilla. ................ ......................... .................. .................. .................. ............ ... 20 6.5 Asentamiento de un Pilote Individual en Arena o Grava ........................................................ 21 6.6 Asentamiento de un Grupo de Pilotes en Arena o Grava .............. ....................... ................... ................... .................. ............. .... 21 6.7 Un Método Simple para Estimar el Asentamiento de un Grupo de Pilotes................. .......................... ........... .. 21 CONCLUSION ......................................................................................... Error! Bookmark not defined. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 23
INTRODUCCIÓN En el presente trabajo conoceremos que son las pilas y pilotes; con sus respectivas características, los tipos de cimentaciones superficiales, capacidad de carga, la fórmula para el hincado de pilotes y sus asentamientos. Las pilas son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. Las pilas tienen usualmente sección transversal circulares, por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto o madera y se usan para construir cimentaciones con pilotes, que son profundas y el costo se eleva más que las cimentaciones superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural. Con los siguientes puntos definimos algunas de las condiciones que requieren cimentaciones de pilotes. 1. Cuando el estrato o estratos superiores del suelo son altamente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura, se usan pilotes para transmitir la carga al lecho rocoso o a una capa dura. La resistencia a la carga estructural aplicada proviene principalmente de la resistencia a la fricción desarrollada en la interfaz suelo-pilote. 2. Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por flexión mientras soportan aún la carga vertical transmitida por la superestructura. Este tipo de situación se encuentra generalmente en el diseño y construcción de estructuras de retención de tierra y en la cimentación de estructuras de gran altura que están sometidas a fuerzas grandes de viento y/o sísmicas. 3. En muchos casos, están presentes en el sitio de una estructura propuesta, suelos expansivos y colapsables que se extienden a gran profundidad por debajo de la superficie del terreno. Los suelos expansivos se hinchan y se contraen conforme el contenido de agua crece y decrece y su presión de expansión puede ser considerable. Los asentamientos de los pilotes; individual y por grupo. El asentamiento de un pilote individual bajo carga de trabajo es usualmente tan pequeño que no presenta problemas. Sin embargo, el efecto combinado de un grupo de pilotes puede producir un asentamiento apreciable.
1.-PILAS Y PILOTES, Y SU CLASIFICACION Las pilas son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. Las pilas tienen usualmente sección transversal circulares, por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. Su diámetro varía entre 0,75 y 2,2 m. Las pilas, en forma similar a los pilotes, pueden ser excavadas o perforadas hasta el fondo de la cimentación de una estructura que luego se rellena con concreto, y trabajan por punta o fricción lateral. Dependiendo de las condiciones del suelo se usan ademes para prevenir que el suelo alrededor del agujero no se desplome durante la construcción. También conocidas como pilotes colados in situ, con o sin refuerzo de acero y con o sin pedestal, a veces llega hacer tan pequeño como de 303 mm (≈ 1in). Algunas ventajas de la cimentación con pilas: 1. Se puede usar una sola pila en lugar de usar un grupo de pilotes con cabezal. 2. La construcción de pilas en depósitos de arena densa y grava es más fácil que hincar pilotes. 3. No se tiene ruido cuando de martilleo durante la construcción de pilas, como ocurre en el hincado de pilotes. 4. La superficie sobre la cual se construye la base de pila puede inspeccionarse visualmente. 5. Las pilas tiene alta resistencia a cargas laterales. Las pilas se clasifican según la manera en que se diseñan para transferir la carga estructural al suelo. En la figura 1 se observa una pila recta, que atraviesa la capa superior del suelo pobre y su punta descansa sobre un estrato resistente de suelo o roca con alta capacidad de carga. Para tales pilas, la resistencia a la carga aplicada puede desarrollarse en la punta y también como resultado de la fricción lateral en el perímetro de la pila y la interfaz con el suelo. Una pila acampanada consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre un suelo resistente. La campana se puede construir en forma de domo. Para campanas de cono, las herramientas o cortadores comercialmente disponibles pueden formar ángulos de 30° a 45° con la vertical. Las pilas no acampanadas en su base también pueden extenderse hasta un estrato subyacente de roca. En el cálculo de la capacidad de carga de tales pilas, el esfuerzo cortante y el de carga desarrollados a lo largo del perímetro de la pila y en el interfaz con la roca pueden tomarse en consideración.
Ilustración 1. Tipos de pilas: pila recta(a); (b) y (c) pila acampanada; (d) pila recta empotrada en roca.
Los pilotes son piezas largas, cilíndricas o prismáticas, que penetran a través de un suelo de baja capacidad portante, a fin de transmitir las cargas a una zona de capacidad portante más elevada. En los trabajos de construcción se usan diferentes tipos de pilotes, dependiendo del tipo de carga por soportarse, de las condiciones del subsuelo y de la posición del nivel freático. Los pilotes se dividen en: pilotes de acero; de concreto; de madera y pilotes compuestos.
1.1 Pilotes de acero Los pilotes de acero son generalmente a base de tubos o de perfiles H laminados. Los pilotes tubulares se hincan en el terreno con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas de acero de patín ancho y de sección I también se usan como pilotes. Los pilotes de acero llegan a estar sometidos a corrosión, por ejemplo en suelos pantanosos, las turbas y otros suelos orgánicos que son corrosivos. Los suelos con un pH mayor que 7 no son muy corrosivos. Para compensar el efecto de la corrosión generalmente se recomienda considerar un espesor adicional de acero (sobre el área de la sección transversal real de diseño). En muchas circunstancias, los recubrimientos epóxicos.Estos recubrimientos no se dañan fácilmente por el hincado del pilote. El recubrimiento con concreto de los pilotes de acero también los protege contra la corrosión en la mayoría de las zonas corrosivas. Se dan a continuación algunas propiedades de los pilotes de acero: Longitud usual: 15 a 60 m (50 a 200 pies) Carga usual: 300 a 1 200 kN (67 a 265 klb) Ventajas:
Son fáciles de manejar con respecto a cortes y extensiones a la longitud deseada.
Pueden resistir altos esfuerzos de hincado.
Pueden penetrar en estratos duros tales como grava densa y roca blanda.
Alta capacidad de carga.
Desventajas:
Relativamente costosos.
Alto nivel de ruido durante el hincado del pilote.
Sujetos a la corrosión.
Los pilotes H pueden dañarse o desviarse de la vertical durante el hincado al atravesar estratos duros o en presencia de obstrucciones grandes.
Los materiales empleados; madera, hormigón armado o pretensado, acero y las dimensiones; longitud y sección de los pilotes están determinados por la naturaleza de los estratos del terreno; en cambio, la naturaleza de los pilotes (pilotes prefabricados o hechos in situ) está determinada por las condiciones económicas y prácticas.
1.2 Pilotes de concreto Los pilotes de concreto se dividen en dos categorías básicas: (1) pilotes precolados y (2) pilotes colados in situ. Los pilotes precolados se preparan usando refuerzo ordinario y son cuadrados u octagonales en su sección transversal. El refuerzo se proporciona para que el pilote resista el momento flexionante desarrollado durante su manipulación y transporte, la carga vertical y el momento flexionante causado por carga lateral. Los pilotes son colados a las longitudes deseadas y curados antes de transportarlos a los sitios de trabajo. Algunas propiedades generales de los pilotes de concreto son las siguientes:
Longitud usual: 10 a 15 m (30 a 50 pies). Carga usual: 300 a 3 000 kN (67 a 675 klb).
Ventajas:
Pueden ser sometidos a un hincado de alto impacto. Son resistentes a la corrosión. Pueden combinarse fácilmente con una superestructura de concreto.
Desventajas:
Difíciles de ser cortados a la medida precisa. Difíciles de transportar.
1.3 Pilotes de madera Los pilotes de madera son troncos de árboles cuyas ramas y corteza fueron cuidadosamente recortadas. La longitud máxima de la mayoría de los pilotes de madera es de entre 10 y 20 m (30 y 65 pies). Para calificar para uso como pilote, la madera debe ser recta, sana y sin defectos.
Pilotes clase A que soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del fuste debe ser de 356 mm (14 pulg). Pilotes clase B que se usan para tomar cargas medias. El diámetro mínimo del fuste debe ser de entre 305 y 330 mm (12 y 13 pulg). Pilotes clase C que se usan en trabajos provisionales de construcción. Éstos se usan permanentemente para estructuras cuando todo el pilote está debajo del nivel freático. El diámetro mínimo del fuste debe ser de 305 mm (12 pulg).
Nota: En todo caso, la punta del pilote no debe tener un diámetro menor que 150 mm (6 pulg). La penetración en el suelo se efectúa: a) Por persecución para todos los tipos de pilotes. b) Por moldeo para los pilotes de hormigón, c) Por atornillamiento en el caso de pilotes de hormigón o metálicos. Los pilotes se emplean particularmente para las cimentaciones de obras bajo el agua, como las escolleras o las pilas de los puentes: trabajan de la forma siguiente: 1. Pilotes resistentes por efecto de punta: C uando la zona o estrato portante de cimentación está formado principalmente por materiales resistentes (terreno rocoso o formado por una mezcla de arena y grava…), los pilotes trabajan por punta (pilotes de punta), son análogos o columnas que transfieren la carga de un estrato superior no resistente a un estrato más resistente. 2. Pilotes resistentes a la vez por efecto lateral: (pilotes flotante). Es el caso en que los pilotes no alcanza un estrato resistente. 3. Pilotes resistente a la vez por efecto lateral y efecto de punta: Pilotes flotantes en su parte superior y que transmiten la carga a un terreno más resistente. Para ello se necesita un conocimiento perfecto de la naturaleza del suelo de cimentación. Es preciso efectuar sondeos y completar su estudio con ensayos de laboratorio para determinar las características del subsuelo, a saber:
El peso específico, El ángulo de rozamiento, La cohesión.
La capacidad portante del terreno es el elemento más importante a conocer en un proyecto de cimentación sobre pilotes; en efecto, el terreno debe saber soportar la carga que se le transmite por un pilote o un grupo de pilotes. Respecto a esto el ideal es hincar unos pilotes de ensayo junto a la línea donde se realizan los sondeos, de manera que los resultados de la hinca pueden ser estudiados paralelamente con los resultados del sondeo.
2.-CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DE PILOTES. En la construcción se usan diferentes tipos de pilotes, quien determina el tipo de pilote que se usará son el tipo de carga que se va a soportar, las condiciones del subsuelo y la posición del nivel freático, los pilotes comúnmente usados son de acero, concreto, madera y pilotes compuestos.
2.1 Características de pilotes de acero.
Generalmente son a base de tubos o perfiles H, los tubos se llenan con concreto después de ser hincados. Se hincan en el terreno con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas de patín ancho y sección I también se usan como pilotes. La capacidad permisible (capacidad admisible) es Q adm=Asf s. donde As= área de la sección transversal del acero; f s= esfuerzo admisible del acero (≈0.33 a 0.5f y). Cuando es requerido, los pilotes de acero se empalman por medio de soldadura o remaches. Los pilotes de acero se usan adaptados con puntas o zapatas de hincado, cuando se esperan condiciones difíciles de hincado, como a través de grava densa, lutitas y roca blanda. Los pilotes de acero llegan a estar sometidos a corrosión.
Ilustración 2. Pilote de acero en forma de cajón
2.2 Características de pilotes de concreto.
Existen pilotes precolados y colocados in situ.
Tabla 1.-Comparacion de los pilotes precolados con los in situ. PRECOLADOS IN SITU Se preparan usando refuerzo ordinario y son Se construyen perforando un agujero en el cuadrados u octagonales en su sección terreno y llenándolo de concreto. transversal. El refuerzo se proporciona para que el pilote Existen ademados y no ademados: los resista el momento flexionante desarrollado ademados se hacen hincando un tubo de durante su manipulación y transporte. acero en el terreno con ayuda de un mandril. Son colados a longitudes deseadas y curados antes de transportarlos a los sitios de trabajo PROPIEDADES PROPIEDADES Longitud usual: 10 a 15m Longitud usual: 5 a 15m Carga usual: 300 a 3000 kN Longitud máxima: 30 a 40m Carga usual: 200 a 500 kN Carga máxima aproximada: 800 kN
Ilustración 3. Pilotes precolados con refuerzo ordinario.
Ilustración 4. Pilotes de concreto in situ
2.3 Características de pilotes de madera.
Son troncos de árboles cuyas ramas y corteza fueron cuidadosamente recortadas. Para calificar como pilote, la madera debe ser recta, sana y sin defectos. La punta del pilote no debe tener un diámetro menor que 150mm. No resisten altos esfuerzos al hincarse; capacidad limitada. Deben usarse zapatas de acero para evitar daños en la punta del pilote. Para evitar daños en la cabeza del pilote, se usa una banda metálica o un capuchón. Debe evitarse el empalme de los pilotes. Pero si es necesario este se hace usando 1 manguitos tubulares. La longitud del manguito tubular debe ser por lo menos cinco veces el diámetro del pilote. (ver ilustración 5) Los extremos a tope deben cortarse a escuadra de modo que tenga un contacto pleno entre las partes. Los pilotes de madera permanecerán indefinidamente sin daño si están rodeados por suelo saturado. La capacidad admisible de carga de los pilotes de madera es: Q adm= Apf w ; donde Ap= área promedio de la sección transversal del pilote; f w= esfuerzo admisible de la madera.
Pilotes de madera
Clase A
Soportan cargas pesadas. Diametro minimo del fuste 14pulg.
Clase B
Se usan para tomar cargas medias. Diametro minimo del fuste 12-13 pulg.
Clase C
Se usan para trabajos provisionales de construcción. Diametro minimo del fuste 12 pulg.
Ilustración 5. Clasificación de los pilotes de madera
Ilustración 6. Uso de manguitos tubulares 1
camisa de acero que envuelve y une dos puntas en pilotes de madera.
3.-MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA El mecanismo de transferencia de carga de un pilote al suelo es complicado. Para entenderlo, considere uno de longitud L, como muestra la figura 11.9a. La carga sobre el pilote se incrementa gradualmente de cero a Q(z=0) la superficie del terreno. Parte de esta carga será resistida por la fricción lateral, Q 1 , desarrollada a lo largo del fuste y parte por el suelo debajo de la punta del pilote, Q 2 .
Ilustración 7. Mecanismos de transferencia de carga en pilotes
Si la carga Q en la superficie del terreno se incrementa gradualmente, la resistencia máxima por fricción a lo largo del fuste del pilote será totalmente movilizada cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea aproximadamente de 5 a 10 mm (0.2 a 0.3 pulg), independientemente del tamaño y de su longitud L. Sin embargo, la resistencia máxima de punta Q 2 = Q p no será movilizada hasta que la punta del pilote se haya movido de 10 a 25% del ancho (o diámetro) del pilote. Qi = Q P La explicación anterior indica que Q s (o fricción unitaria superficial / a lo largo del fuste del pilote) se desarrolla bajo un desplazamiento mucho menor comparado con el de la resistencia de punta Q p . Bajo carga última, la superficie de falla en el suelo en la punta del pilote (falla por capacidad de carga causada por Q p ) es parecida a la mostrada en la ilustración 6. Observe que las cimentaciones con pilotes son cimentaciones profundas y que el suelo falla principalmente por punzonamiento. Es decir, se desarrolla una zona triangular, I, en la punta del pilote, que es empujada hacia abajo sin producir ninguna otra superficie visible de deslizamiento. En suelos de arenas densas y suelos arcillosos firmes se desarrolla parcialmente una zona cortante radial, II.
4.-CAPACIDAD DE CARGA DE PILOTES Y GRUPO DE PILOTES 4.1 Capacidad de carga de pilotes. La capacidad de carga de una cimentación profunda depende esencialmente de la resistencia al corte del suelo en el cual se apoya y del mecanismo de transferencia de carga del elemento de cimentación al suelo. Se analizara la capacidad de carga de los suelos cohesivos. Suelos granulares y rocas. Bajo estas consideraciones, la capacidad de carga de una cimentación se define de acuerdo con dos criterios fundamentales. -
Capacidad de carga última (qu).- Es la carga promedio por unidad de área que origina la falla de la cimentación por esfuerzo cortante o por asentamiento excesivo. Capacidad de carga permisible (Q a).- Es la carga promedio por unidad de área que no provoca asentamientos mayores que el valor admisible prefijado para la estructura y que también proporciona un factor de seguridad adecuado contra falla por esfuerzo y cortante.
La magnitud d la capacidad de carga tomando en cuenta cualquiera de los criterios mencionados (qu y Q a), depende tanto de las proporciones mecánicas del suelo o roca en que se apoye la cimentación, como del tamaño y forma del área cargada y del tipo de superestructutra por construir.
4.1.1 Suelos cohesivos Los métodos de diseño de pilotes en suelos cohesivos se dividen en dos grupos:
Donde se recomienda efectuar pruebas de carga como parte del diseño. Efectuar un diseño definitivo con el debido cuidado de tomar en cuenta factores de seguridad adecuados. Para ambos casos se necesita conocer la resistencia al corte del suelo a corto plazo no drenado en donde se presenta la condición crítica del comportamiento del suelo. En arcillas blandas, el hincado da lugar al remoldeo completo del suelo, impidiendo continuar con la construcción. El efecto de alteración disminuye con el transcurso del tiempo después del hincado a medida que se consolida el suelo adyacente al pilote, generándose un aumento o una reducción en la capacidad de carga, dependiendo si el suelo es consolidado o preconsolidado respectivamente. Para llegar a determinar esta capacidad de carga del pilote en arcilla, se propone usar el análisis en función de esfuerzos efectivos como método alternativo de cálculo. Este método deanálisis se presenta para condiciones como las siguientes: Capacidad de carga en arcillas con una resistencia al corte C u < 10 ton/m2 y con resistencia al corte Cu > 10 ton/m2. Para este caso se analiza la condición para pilotes hincados y colados. 4.1.1.1 Pilotes Hincados
Estos pilotes hincados en arcilla con una resistencia al corte (C u), no drenada, Cu > 10 ton/m2, derivan su capacidad de carga tanto por fricción lateral como resistencia por punta. Esta resistencia no se toma en cuenta, debido a que se desconoce el área efectiva de contacto final entre el pilote y la arcilla, pero para un diseño preliminar se puede hacer uso de la siguiente relación: Q U = 40 N AP + O.2 Ñ AS Donde: Q U = Carga última del pilote, TON N = Número promedio de a la elevación de la punta del pilote, # golpes/ 30 cm AP= Área de la sección transversal de la punta del pilote, m2. Ñ = Número de golpes promedio a lo largo del fuste del pilote, # golpes/ 30 cm AS= área de la superficie lateral del fuste del pilote, m2 Debido a los errores a que esta sujeta la prueba de penetración estándar se utiliza un factor de seguridad mínimo de 4 para definir la capacidad de carga permisible del pilote, por lo que:
4.1.1.2 Pilotes colados en el lugar
En arcillas muy duras se puede llegar a movilizar una resistencia por punta apreciable, que para el caso de pilotes colados en el lugar puede representar la capacidad de carga total del pilote. La capacidad de carga se puede determinar como sigue: Q P = N´C CU AP Donde: Q P = Capacidad de carga última permisible AP = Área de la sección transversal de la punta del pilote. CU = Valor mínimo de la resistencia al corte no drenada de la arcilla al nivel de desplante de la punta del pilote. N´c = Coeficiente de capacidad de carga que es función del diámetro de la punta del pilote. Las cargas permisibles en pilotes colados en el lugar Q a, determinan de la combinación de fricción lateral (Q f) y de la resistencia por punta (Q P) después de aplicar los factores de seguridad adecuados. Para la obtención de la fricción lateral se utiliza la siguiente expresión: Q f = Cua As Donde: Q f = Fricción lateral ultima As = Área lateral del fuste del pilote Cua = Adherencia ultima que varía de 0.3 a 0.4 Cu Si el suelo bajo la base tiene una compresibilidad igual o mayor que la del suelo alrededor del fuste, la carga permisible del pilote se puede tomar como:
Si el suelo bajo la base tiene una compresibilidad menor que del suelo alrededor del fuste, los movimientos relativos entre el fuste y el suelo son generalmente demasiado pequeños como para movilizar la adherencia total.se recomienda para este caso tomar como carga pemisible en el pilote el valor dado por:
4.1.2 Suelos granulares Dentro de la clasificación de suelos granulares encontramos a las gravas, arenas y limos no cohesivos. Los pilotes apoyados en suelos granulares derivan su capacidad de carga tanto de la resistencia por punta como de la fricción lateral a lo largo del fuste. La proporción con la que estas dos componentes contribuyen a la capacidad total del elemento es en función esencialmente de la compacidad, del nivel de esfuerzos y de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, así como de las características del pilote. a) Capacidad de carga según la penetración estándar.- La capacidad de carga ultima (Q u) de un pilote individual en suelos granulares se puede determinar a partir de la prueba de penetración estándar, bajo la misma expresión utilizada para pilotes hincados en el lugar: Q U = 40 N AP + O.2 Ñ AS b) Capacidad de carga, según el método estático.- La base del método estático o de mecánica de suelos para calcular la capacidad de carga final de un pilote es que: la capacidad de carga final es igual a la suma de la resistencia ultima de la base del pilote y la fricción superficial final sobre el largo del cuerpo del pilote enterrado. Expresado de la siguiente manera: Q u = Q p + Q f Y Q´u = Ap Pd Nq + Ks Ptanδ Donde: Q u= Capacidad de carga final del pilote Q p= Resistencia de la base del pilote Q f = Resistencia del pilote por fricción Q´u= Carga de falla aplicada al pilote Ap= Superficie del pilote enterrada P= Presión efectiva de sobrecarga promedio sobre la profundidad enterrada del pilote Pd= Presión efectiva de sobrecarga a nivel de la punta del pilote Nq= Factor de capacidad de carga, depende del ángulo de fricción interna δ = Ángulo de fricción del muro Ks= Coeficiente de presión del suelo c) Capacidad de carga según la penetración estática con cono.- La prueba de cono da los mejores resultados en limos y arenas de compacidad entre suelta y densa. No se puede realizar en gravas gruesas ni en arenas muy densas. La capacidad de carga ultima de un pilote individual en suelo granular se puede determinar de la siguiente manera: Q u= qcAp + 2f s As Donde: Q u= Capacidad de carga última, Ton qc=Resistencia promedio por punta de pruebas de cono, Ton/m 2 Ap= área de la sección transversal de la punta del pilote, m2
f s= fricción latreal promedio medida en prueba de cono, Ton/m2 As= Área lateral del fuste del pilote, m2 d) Capacidad de carga, según pruebas de campo.- Los métodos anteriores están sujetos a errores debido a las dificultades de la determinación de las propiedades mecánicas de los suelos y las limitaciones de los métodos mismos; las pruebas se identifican para determinar la capacidad de carga mediante pruebas de carga, las cuales se justifican según el tamaño de la obra.
4.1.3 Rocas. Las cimentaciones empotradas en rocas generalmente con capaces de soportar grandes cargas, para su construcción se pueden seguir los siguientes procedimientos: pilotes colados en el lugar y el hincado de pilotes de acero o de concreto con punta de acero. 4.1.1.3 Capacidad de carga por punta.
La capacidad de carga por punta puede ser conservadora, independientemente del proceso de construcción, pero si no se tiene el cuidado de limpiar adecuadamente el fondo de la excavación, la capacidad de carga se desarrolla después de que ocurran asentamientos debidos a la expulsión o compresión del lodo o azolve dejado en el fondo. Cuando la capacidad de carga se genera en la punta del pilote, se puede calcular en función de la resistencia al corte de la roca con la expresión: qa = (qu)c kspd Donde: qa= Capacidad de carga permisible, Ton/m2 (qu)c =Resistencia a la compresión no confinada por medio del núcleo de roca, ton/m2 ksp= coeficiente empírico que depende del espaciamiento de las discontinuidades de la roca. d= Factor de profundidad (0.8 + 0.2 Hs/B)≤ 2 Hs=Profundidad de empotramiento de la roca resistente, m. B= Diámetro de la cavidad, m. 4.1.3.2 Capacidad de carga por adherencia entre roca y concreto
La capacidad de carga por adherencia no es necesariamente conservadora, ya que la resistencia por adherencia disponible depende en gran medida de la calidad de la superficie de la roca en las paredes del tramo empotrado. En el caso de que la carga se transmita lateralmente a lo largo del mástil del pilote empotrado en roca, la capacidad de carga permisible está dada por la expresión: Q a= π B Hs Ta Donde: Q a= Capacidad de carga permisible,Ton.
B= Diámetro del pilote, m. Hs=Profundidad de empotramiento de la roca sana, m. Ta= Resistencia permisible por adherencia entre concreto y roca, ton/m 2. 4.1.3.3 Capacidad de carga por punta y adherencia lateral.
La capacidad de carga derivada por punta así como por adherencia lateral, conduce a valores muy altos de la capacidad de soporte. Este procedimiento para su aprobación se tiene que verificar por medio de pruebas de carga a escala natural o a través de una experiencia local bien fundada.
4.2 Grupo de pilotes. Para estructuras de grandes extensiones, los pilotes son utilizados en grupos con el propósito de transmitir la carga de la estructura al suelo; pero esto se hace complejo debido a que no se puede realizar una evaluación exacta de la capacidad de carga de un grupo de pilotes o de relacionarla con los pilotes aislados. En función de la distancia que existen entre los pilotes es moderado que los esfuerzos que transmiten estos al suelo se traslapen, reduciendo con esto la capacidad individual de carga del pilote; por tanto la capacidad de un grupo de pilotes puede no ser igual a la sumatoria de las capacidades de carga de todos los pilotes individuales en el grupo, por lo cual es importante considerar el comportamiento del grupo como un todo. En base a pruebas se ha llegado a la conclusión de que la resistencia de los pilotes en grupo es generalmente menor que la sumatoria de las resistencias de los pilotes individualmente. La idea primordial es la de que los pilotes en un grupo deben espaciarse de manera que la capacidad de carga del grupo sea como mínimo igual que la sumatoria de las capacidades individuales; por lo tanto se deben colocar agrupados que generalmente la cantidad de pilotes por cabezal va de 2 a 15, la separación entre ejes es superior a 2.5Ø e inferíos a 4Ø. Por tanto la separación mínima entre ejes de pilotes, para que un grupo tenga su máxima eficiencia, está dada por la siguiente expresión:
Siendo = número de pilotes por fila del grupo de pilotes = número de pilotes por columna del grupo de pilotes
4.2.1 Eficiencia de Grupo Este valor está definido por:
∑
Siendo Eficiencia de grupo Carga última del grupo de pilotes Carga última del pilote individual
5.-FÓRMULAS PARA EL HINCADO DE PILOTES Para desarrollar la capacidad de carga deseada, un pilote de carga por punta debe penetrar el estrato de suelo denso suficientemente o tener suficiente contacto con un estrato de roca. Este requisito no puede ser siempre satisfecho mediante el hincado de un pilote a una profundidad predeterminada por que los perfiles del suelo varían. Por esta razón, varias ecuaciones fueron desarrolladas para calcular la capacidad última de un pilote durante el hincado. Esas ecuaciones dinámicas se usan ampliamente en el campo para determinar si el pilote ha alcanzado un valor de carga satisfactorio a la profundidad predeterminada. Una de las primeras de esas ecuaciones dinámicas, comúnmente llamada la fórmula del Engineering News Record (EN), se deriva de la teoría del trabajo y la energía. Es decir,
De acuerdo con la fórmula EN, la resistencia del pilote es la carga última
, expresada como
Dónde:
La penetración S, del pilote se basa generalmente 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:
25.4 mm si S y h están en mm 1 pulg si S y h están en pulgadas
Para martillos de vapor:
2.54 mm si S y h están en mm
0.1 pulg si S y h están en pulgadas
Se usa también un factor de seguridad FS = 6, para estimar la capacidad admisible del pilote. Observe que para martillos de acción simple y doble, el término es reemplazado por (donde E= eficiencia del martillo y = energía nominal del martillo). Entonces
La fórmula EN ha sido revisada varias veces a lo largo de los años y también se han sugerido otras fórmulas de hincado de pilotes.
6.-ASENTAMIENTO DE PILOTES Y GRUPO DE PILOTES El asentamiento de un pilote individual bajo carga de trabajo es usualmente tan pequeño que no presenta problemas. Sin embargo, el efecto combinado de un grupo de pilotes puede producir un asentamiento apreciable. Los procedimientos presentados a continuación permiten realizar una estimación aproximada del asentamiento de un grupo de pilotes o de un pilote individual dentro del grupo. La interacción entre los pilotes y el suelo circundante es compleja y no está apropiadamente entendida; en consecuencia, los valores obtenidos por los métodos simples presentados a continuación no producen valores exactos. El asentamiento de un grupo de pilotes es igual al desplazamiento de la punta más el acortamiento elástico del pilote entre la corona y la punta. El asentamiento implica la obtención de la distribución de los esfuerzos en los estratos por debajo de la punta y las propiedades elásticas del suelo, para poder calcular los desplazamientos de la punta del pilote. Además, se debe determinar la carga soportada por los pilotes y la distribución de la carga a lo largo del pilote, de tal forma que se pueda calcular el acortamiento elástico. En terrenos cohesivos se producen asentamientos inmediatos (elásticos) y por consolidación, siendo usualmente estos los más importantes, particularmente si se trata de suelos normalmente consolidados y pilotes de fricción.
6.1 Asentamientos por consolidación para grupos de pilotes en suelos cohesivos El asentamiento del pilote es igual a la compresión de la capa de espesor H bajo la punta del pilote, calculada como:
En donde:
= Presión inicial efectiva en el estrato considerado (kPa)
6.2 Asentamientos elásticos para pilotes en suelos no cohesivos.
Se producen solamente asentamientos inmediatos (elásticos), siendo entonces el principal problema la estimación correcta del incremento de esfuerzos en los estratos subyacentes ( , la longitud en la cual actúan esos incrementos de esfuerzos ( y las propiedades elásticas del terreno ( . Se puede usar la siguiente ecuación:
6.3 Asentamiento de un Pilote Individual en Arcilla. El asentamiento de un pilote en una capa de espesor finito que subrasante a un material incompresible puede obtenerse de la expresión.
Dónde: Q = carga en el pilote. L = longitud del pilote. Es = módulo de Young del suelo para asentamiento a largo plazo.
Es =
mv es el valor promedio de la capa y m es la relación de Poisson: 04 arcilla SC, arcillaNC rígida y 0.2 arcilla NC blanda a firme.
= factor de influencia.
Debe tenerse cuidado en utilizar sistemas de unidades consistentes.
6.4 Asentamiento de Pilotes dentro de un Grupo en Arcilla. El asentamiento ñi del pilote i dentro de un grupo puede calcularse de la expresión:
(
Dónde: ñi = asentamiento del pilote i bajo carga unitaria. Q i = carga del pilote i.
)
Q j = carga en el pilote j, donde j es cada uno de los otros pilotes en el grupo, en turno. áij = es el factor de interacción entre los pilotes i y j. El valor de á depende del espaciamiento de los pilotes.
6.5 Asentamiento de un Pilote Individual en Arena o Grava El asentamiento de un pilote hincado en suelo granular denso es muy pequeño y debido a que el asentamiento en suelo granular es rápido, generalmente no hay problema. En pilotes excavados o pilotes hincados en suelo granular suelto, el asentamiento puede ser significativo, pero no existen métodos aceptados de predecir asentamientos con exactitud. Como una aproximación gruesa, el desplazamiento vertical de un pilote puede estimarse como una carga puntual en la base del pilote. Sin embargo, el único método confiable para obtener la deformación de un pilote en un suelo granular es ejecutar un ensayo de carga.
6.6 Asentamiento de un Grupo de Pilotes en Arena o Grava Una aproximación al asentamiento de un grupo de pilotes en suelo granular en base al asentamiento de un pilote individual puede obtenerse de la Figura 3.4, donde
á=
6.7 Un Método Simple para Estimar el Asentamiento de un Grupo de Pilotes El asentamiento promedio de un grupo de pilotes puede estimarse tratando al grupo como una cimentación equivalente con un área en planta igual al área del grupo. Para pilotes que trabajan predominantemente por punta (arenas), se asume que la cimentación estará en la base de los pilotes. Para pilotes por fricción (arcillas), se asume los dos tercios de la longitud de empotramiento, y si existe una capa superior granular o arcilla blanda, los dos tercios de la profundidad de empotramiento en la arcilla portante.
CONCLUSIÓN Se sabe que desde la primera aparición del hombre, este siempre ha buscado protegerse y habitar en un lugar seguro. La ingeniería de cimentaciones surge la necesidad de buscar métodos alternativos que proporcionen la estabilidad y seguridad del cualquier tipo de edificación, hay que señalar que no se debe de olvidar de las propiedades geotécnicas del suelo, tales como la granulometría, la plasticidad, la compresibilidad y la resistencia al cortante, son estudios que se pueden determinarse mediante pruebas apropiadas de laboratorio. El ingeniero debe tener un buen sentido de los principios fundamentales de la mecánica de suelos. Asimismo, debe ser consciente de que los depósitos de suelo natural sobre los que se construyen las cimentaciones, no son totalmente homogéneos en la mayor parte de los casos. En efecto, el ingeniero debe tener un conocimiento previo de la geología de la zona donde vaya a construir, es decir, del origen y naturaleza de la estratificación del suelo, así como de las condiciones del agua del subsuelo. La ingeniería de cimentaciones es una ingeniosa composición de mecánica de suelos, ingeniería geológica y criterio procedido de las experiencias del pasado. La tarea del ingeniero es determinar qué cimentación es la más económica, debe considerar varios factores importantes como la carga de la superestructura, las condiciones del subsuelo y el asentamiento tolerable deseado, para así escoger el tipo de cimentación más apta para el sitio.
BIBLIOGRAFÍA Braja M. Das, Principios de ingeniería de cimentaciones, 5 ta edición, Cengage Learning Brooks Cole ©2004. Zaven Davidian, Pilotes y Cimentaciones sobre Pilotes, 2 da edición Editores Técnicos Asociados, S.A. de C.V. F. Merritt, Manual del ingeniero civil, 2 da edición 1982 Libros Mc Graw-Hill de México, S.A. de C.V.
