Capitulo 8 - Texto Guia

8/18/2019 Capitulo 8 - Texto Guia

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Universidad Nacional Siglo XX

Maestría en Ingeniería Estructural e Ingeniería Geotécnica--------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Material de Estudio elaborado por: WAA 1

CAPITULO 8

CIMENTACIONES PROFUNDAS

1.0 INTRODUCCION

1.1 Generalidades

El uso de pilotes es una de las técnicas más antiguas del hombre para superar las dificultadesde la cimentación de estructuras en suelos blandos. Antes del siglo XIX, el tipo decimentación más común en los edificios eran zapatas continuas, y solo si el terreno eraincapaz de soportar las presiones que ejercían las zapatas, se usaban pilotes. El diseñode estas cimentaciones estaba basado en la experiencia o simplemente dejado a la divina providencia.

En sus inicios, los pilotes eran todos de madera por su abundancia y su fácil maniobrabilidad,así que para dar seguridad a una estructura se hincaban pilotes en forma abundante, sinninguna norma y a criterio del constructor. De esta manera, la capacidad de carga del piloteestaba limitada por el grosor de la madera y su capacidad de soportar el peso del martillosin astillarse. Es así que en un principio se crearon reglas primitivas mediante las cuales lacarga admisible de un pilote se basaba en la resistencia al golpe de un martillo de peso yaltura de caída conocidos. Como el tipo de estructura de esa época no sufría grandesasentamientos, no surgió otro material que lo reemplace.

A medida que el desarrollo industrial aumenta, se crea una demanda de estructuras pesadasen lugares de terreno blando; surge entonces el pilote de concreto como unasolución que supera largamente al pilote de madera, debido a que podía serfabricado en unidades de las mismas dimensiones que el pilote hecho de madera, perocapaz de soportar compresiones y tensiones mucho mayores. Además que puede moldearseen cualquier forma estructural de acuerdo a las solicitaciones de carga y del tipo de suelosobre el que se hinca. Con el desarrollo de las máquinas de gran eficiencia de perforación agran profundidad y diámetro, se reemplazó parcialmente los pilotes hincados por los pilotesmoldeados in-situ.

Posteriormente el acero, por su fácil maniobrabilidad y gran resistencia de hincado agrandes profundidades, empezó a tener auge, siendo los problemas de corrosión solucionadoscon la introducción de capas de pinturas durables y resistentes.

Conforme el costo de las cimentaciones piloteadas toma importancia, surge la necesidad


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de determinar un número de pilotes que no fuese mayor que el necesario para proporcionarseguridad a la estructura; se llega entonces a especulaciones teóricas que dan por resultadofórmulas de hinca, aunque posteriormente se determina que éstas adolecían de grandes defectos, haciéndose usual determinar la carga admisible del pilote ejecutando ensayos de

carga sobre un pilote de prueba y determinando el número de pilotes mediante el cocientede la división de la carga total entre la carga admisible por pilote. Algunas estructurasresultaron satisfactorias, sin embargo, otras fallaron, de lo cual se deduce que elasentamiento de una cimentación no está necesariamente relacionado con el asentamiento deun pilote de prueba, aún cuando la carga por pilote fuese igual a la carga del pilote de prueba.De cualquier forma, es necesario conocer la capacidad de carga de un pilote porque forma parte de la información para desarrollar un proyecto de cimentaciones piloteadas.

Para tener una cabal comprensión del comportamiento de pilotes, se debe conocer todoslos tipos de pilotes y los métodos de instalación existentes. El diseño y la construcción decimentaciones piloteadas es un campo de la mecánica de suelos en la que se requiere elcriterio de un ingeniero que no se confíe en el discutible valor de una fórmula y que sepahacer uso de su experiencia, sentido común e intuición del comportamiento de los materiales.

1.2 Funciones y Usos de los Pilotes

El pilote es un elemento estructural que forma parte de la infraestructura de la edificación,cuyas funciones principales son las siguientes:

a) Transferir cargas de la superestructura y del resto de la infraestructura a través

de estratos débiles o compresibles, a través del agua o aire, hasta estratos inferiores con la suficiente capacidad de carga como para soportar la estructura, comportándose el pilote como una extensión de columna o pilar. Estos estratos inferiores pueden ser rocas,arcillas duras o suelos de baja compresibilidad. Al pilote que reposa sobre estos estratosse le denomina "pilote de punta" (Fig. 1.1a).

b) Transferir o repartir la carga sobre un suelo relativamente suelto a través de lafricción de superficie entre el pilote y el suelo. Este tipo de pilote se le denomina "pilote de fricción" y a su vez se puede subdividir, según Terzaghi, en pilotes de fricción en suelos de

grano grueso muy permeable y pilote de fricción en suelos de grano fino o de baja permeabilidad. En la naturaleza es difícil encontrar estratos de suelos homogéneos, por lo queno existe un límite real entre estas categorías (Fig. 1.1b).

c) En situaciones donde el suelo alrededor de un pilote lo mueve hacia abajo, a esto sele denomina "fricción negativa", esta fricción tiende a hundir el pilote y si éste no puede


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penetrar más, en la punta del pilote se generará una presión concentrada. Este caso se puede presentar cuando se hinca un pilote en un estrato blando en cuya superficie se coloca unrelleno que consolide el terreno, entonces éste al consolidarse generará en las caras del pilote unas fuerzas de fricción hacia abajo que se denominan fricción negativa (Fig. 1.1c).

d) Proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones, momentos de volteo ocualquier efecto que trate de levantar la estructura. Las fuerzas horizontales se resisten por pilotes en flexión (Fig. 1.1d) o por grupos de pilotes verticales e inclinados que actúan como un sistema estructural, combinando las resistencias axiales y laterales de todo el grupo(Fig. 1.1e).

e) Alcanzar con la cimentación profundidades que no estén sujetas a erosión,socavaciones u otros efectos (Fig. 1.1f).

f) Para evitar los daños que puede producir una futura excavación a lacimentación de una edificación adyacente; en este caso el pilote lleva la carga de lacimentación debajo del nivel de excavación esperado (Fig. 1.1g).

g) En áreas de suelos expansivos o colapsables, para asegurar que los movimientosestacionales no sucederán. (Fig. 1.1h).

h) Proteger estructuras marinas como muelles, atracaderos, contra impactos de barcosu objetos flotantes.

i) Soportar muros de contención, contrafuertes o cimentaciones de máquinas. j) Compactar el suelo


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Figura 1.1 Casos donde puede utilizarce pilotes.


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2.0 EXPLORACION DEL SUELO

Es sumamente importante que el proyecto incluya un programa de exploraciones yensayos adecuados, ya que sobre la base de esta información se tomarán importantes

decisiones de diseño, que el caso de cimentaciones profundas tiene implicanciaseconómicas considerables.

La especificación del AASHTO para puentes (Ref. 1) requiere que como mínimo los programas de exploración y ensayos definan, cuando sea aplicable, lo siguiente:

Con relación a Estratos de Suelo:- Profundidad, espesor y variabilidad.- Identificación y clasificación.- Propiedades ingenieriles relevantes (p.e., resistencia al corte,

compresibilidad, rigidez, permeabilidad, potencial de expansión o colapso,susceptibilidad de licuefacción y de congelamiento).

Con relación a Estratos de Roca:- Profundidad a la roca.- Identificación y clasificación- Calidad (p.e., integridad, dureza, fracturación y presencia de relleno en

grietas, resistencia al intemperismo, si está expuesta y solubilidad). Cota de la Napa Freática Cota de la Superficie del Terreno. Condiciones locales que requieren especial atención.

Asimismo, la especificación del AASHTO para puentes requiere que para el casode cimentaciones profundas la exploración del suelo (sondajes) se extienda debajodel nivel anticipado de la punta de los pilotes, como mínimo el mayor valor de:

- 6 metros- 2 veces la máxima dimensión del grupo de pilotes, a menos que la

cimentación sea por punta o descanse en roca.Para pilotes apoyados en roca deberá obtenerse como mínimo 3 m de testigos de

roca en cada punto de exploración para asegurar que el sondaje no ha terminadoen un bolón.


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3.0 PILOTES

Un pilote es un elemento estructural que trasmite cargas de una superestructura, através de estratos débiles, compresibles o erosionables, a estratos de suelo más rígidos

y estables ubicados a cierta profundidad por debajo de la estructura, y cuya relaciónlongitud / ancho (o diámetro) es mayor de 10.

3.1 Tipos de Pilotes

Los pilotes pueden clasificarse de acuerdo a diversos criterios. En la Figura # 2 se presenta la clarificación dada por el NAVFAC (Ref. 5).

Los pilotes comúnmente usados en Perú son:

Pilotes de Madera

Pilotes de Concreto Armado- Prefabricados- Pretensados- Hincados, vaciados in-situ y con base ensanchada, tipo Franki (pressure

injected footings)- Excavados de gran diámetro.

Pilotes Metálicos- Tubos de Acero- Perfiles de Acero.

En una forma muy sintética podemos estudiar los siguientes tipos según los materialesempleados:

sefabricado Arena De

Simpleno Hormig De

Situ Inoefabricado Armadono Hormig De

sefabricadolia Met

Madera De

Pr

Pr

Pr cos


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PILOTES DE MADERA.-

Son los más antiguos, se han usado desde las primeras construcciones lacustres y continúansiendo hoy un elemento de relevantes cualidades. Cubren un amplio rango de tamaños yresistencias. Su empleo está muy subordinado a las facilidades de obtención y transporte.

Es necesario usar maderas duras, generalmente de PESO ESPECÍFICO SUPERIOR A 1,es decir que no flotan en el agua. Resultan muy durables si se mantienen en condicionesestables de humedad o sequedad. Se descomponen con cierta rapidez si estas condicionesresultan muy variables.

Las condiciones a reunir por las MADERAS PARA PILOTES, pueden resumirsecomo sigue:

1.- Deben provenir de árboles derechos2.- Deben ser volteados en buena estación, en especial en invierno3.- Sus maderas serán de primera clase, de fibras y sin nudos ni podredumbresy exentos de defectos4.- Si los troncos no son rectos es necesario que la línea que une la cabezacon la punta no salga del cuerpo del pilote5.- Deben conservar el tanino6.-Deben cuidarse el ataque de insectos o moluscos, sobre todo bajo agua.

EMPALMES.-

Para mayores longitudes que los pilotes disponibles, se realizan empalmes.

Unidades al tope:

Junta de Bulones

1 a Plomo 3/4” -1”

0.8m de 3mm

Plancha

Hierro

de 1cm


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PROTECCION DE LA CABEZA.-

Para evitar la degradación (.) pilote por los choques repetidos de la cabeza del (.) delmartinete es necesario que la cabeza forme un plano perpendicular al eje del pilote.

Madera dura

Aro P/Golpear

Metalico

Se coloca Capacete

En caliente

Elemento

Blando P/Acomodar

PILOTE

Irregularidades

PILOTE

PROTECCION DE LAS PUNTAS.-

Para facilitar la penetración en el terreno se corta el extremo inferior en forma de Pirámide o Cono, con un largo de 1.5 a 2 veces el diámetro del pilote. Con terrenos duros, se lescoloca un azuche de chapa de hierro o de fundición.

25.1 a AZUCHE

DESMOCHE DE PILOTES.-

Luego de terminada la hinca del conjunto de pilotes, se deben construir los cabezales paradistribuir las cargas de las columnas en forma uniforme entre todos los pilotes del grupo. Escomún que los pilotes no hayan tenido la misma penetración, y es necesario recortarlas paraque tengan la misma altura de embebimiento dentro del cabezal. Esta longitud suele ser delorden de 15cm.


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15cm

PILOTES METALICOS.-

Son de acero, pueden ser CIRCULARES de fomas polígonales logradas por launión de tablaestacas metálicas, o bien perfiles Laminados, generalmente en I

de alas anchas.

Estos pilotes, son bastante caros por el precio del acero, están amenazados por lacorrosión provocada por la oxidación y las variaciones de humedad y sequedad, aceleradaa veces por acciones de origen galvanico. Por ello se requiere aceros especiales, del tipocuproso, que han dado muy buenos resultados. Los mas frecuentes son tubulares y luegode hincados suelen rellenarse con hormigón simple o armado. Los diámetros varían desde20cm hasta 2 o 3 metros. Estos últimos son frecuentes en la cimentación de grandes puentes.


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VENTAJAS DE LOS PILOTES DE ACERO.-

1).- No requieren tiempo de curado, como ocurre en el hormigón2).- Se prolongan fácilmente por soldadura3).-Son fáciles de cortar por sopletes4).- Permiten una gran facilidad de trabajo para construir pilotes de gran diámetro5).- Su peso es relativamente reducido para grandes diámetros6).- En arcillas sensitivas, su reducida sección transversal origina una mínima perturbación.

PILOTES DE HORMIGON ARMADO.-

Pueden ser prefabricados o bien colocados In Situ.

PILOTES PREFABRICADOS DE HORMIGON ARMADO.-

Se pueden construir con las dimensiones y formas que resulten más adecuadas para suempleo. De ahí la gran difusión de su uso desde que se comenzó a construir con hormigónArmado.

TIPOS USUALES DE PILOTES PREFABRICADOS.-

Son de tipo cuadradas, hexagonales, octagonales y circulares.

Pilote tipo Pilote tipo

Circular Centrifugado/Hueco


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La Armadura Longitudinal no termina en gancho, sino que se dobla en ángulo recto parano dañar al pilote durante la hinca cosa más factible si se hace el gancho convencional.

El extremo inferior suele terminar en un azuche metálico de chapa de acero, o bien defundición.

15cm

0.7 5cm

a Barra

1m del

mmo 86 Azuche

0.7 a 5cm

15cm 1m

Acero

fundido

de 8mm

EMPALME DE PILOTES PREFABRICADOS.-

Placa de

Hierro

Soldadura Resina

Perimetral Epoxi

Soldadura Orificio

Resina Con Eliminar

Epoxi Armadura Excesos

Plancha

Empalme Soldadura

Armadura

De Pilote Armadura

Soldada a laPlancha de

Empalme


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METODOS CONSTRUCTIVOS.-

Las consideraciones que se tienen que tomar en cuanta son:

ARMADURA.-

MOLDES.-

(1) (2) (3)

(1) (2) (3) (4) (5)

COLADO DE HORMIGON Y CURADO.-

Se usan hormigones de dosificaciones ricas, del orden de 400kg de cemento por metrocúbico colocado. Esta proporción de cemento suele enriquecerse en los dos extremos,cabeza y punta, por ser las partes mas exigidas durante la hinca.

La relación agua-cemento debe ser baja (0.4 o menos) para alcanzar elevadasresistencias. El asentamiento de estos hormigones en el CONO DE ABRAMS debe sercasi nulo. Estos hormigones se deben Vibrar para obtener una correcta colocación. Losagregados gruesos suelen ser de 1 a 3cm. Se debe colocar la sección completa, es deciravanzar con el hormigonado con toda su sección y no en fajas longitudinales, que podríanoriginar luego puntos débiles durante la hinca.


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MANIPULEO.- En particular el manipuleo tiene solicitaciones importantes, sobre

todo si se trata de pilotes largos.

0.36

0.2L

0.7 L

0.6L

0.2L

0.14

0.36

0.36

0.14 L

PILOTES DE HORMIGON ARMADO MOLDEADOS IN SITU.- El hecho de que

en muchas obras No fuera aconsejable la hinca de pilotes prefabricados llevo a losconstructores a movilizar su ingenio para encontrar soluciones a cada uno de esos problemas.

TIPOS DE PILOTES HORMIGONADOS IN SITU.- Podemos resumir los pilotes

hormigonados In Situ en los siguientes tipos:

1.- Excavados por perforación y llenados sin molde2.- Molde enterrado por perforaciones y recuperado3.- Molde hincado y recuperado4.- Molde enterrado por perforación y no recuperado5.- Molde hincado y no recuperado.


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1.- Pilotes Excavados por perforación y llenados sin encamisar:

- Se pueden efectuar en suelos muy

Cohesivos y sin agua

- Se excava con perforadora

-.Se ensancha la base de apoyo

-.Se limpia el exceso de tierra

-.Se baja la Armadura

-.Se gormigona, caída libre y se compacta

y vibra.

2.- Pilotes con Camisa Enterrada por Rerforación y tubo Recuperado:

a2).STRAUS.--

Se perfora y simultáneamente se baja la camisa- Se llena 0.7 a 1.0m con H y se apisona mientras levanto la camisa- Si lleva armadura se coloca luego de compactarla la extremidad inferior,

y se sigue hormigonando compactando con el pison que se desliza dentrode la armadura.

3.- Pilotes con Camisa Hincada y Recuperada:

a3.1). SIMPLEX.-

- Se inca la camisa a golpes de pison o de cuartinete en la extremidad

superior, debidamente protegida- El extremo superior lleva un azuche que queda perdida- Se coloca armadura en el inferior del tubo.- Se hormigota parcial o totalmente mientras se extrae la camisa,

generalmente con vibrador y extractor, que facilita la compactación delhormigón al tiempo que permite la extracción del tubo.


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a3.2). PILOTES FRANKI.-

Consiste en posicionar un tubo metálico de un espesor de aproximadamente 2m, con untapón de hormigón fresco, casi seco o bien grava. Haciendo actuar un pilón pesado (2 a 5Tn) sobre este tapón, el conjunto penetra en el suelo, siendo el tubo arrastrado hacia abajo por la gran adherencia que se genera entre tapón y las paredes metálicas que la confinan.

Se controla el rechazo con la formula Holandesa y se suspende la hinca.

El hormigón que se emplea es casi seco, se coloca armadura si es necesario o Armadura parcial.

Las capacidades de carga varían desde 30 hasta 160 Tn y se los puede hacer inclinados conun ángulo hasta de 25 respecto a la Vertical.

Pison

Tapon de

Hormigon

o Grava

Bulbo de H o Grava


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a3.3). PILOTE VIBRO.-

Se hinca un tubo de acero muy resistente con un azuche o tapón de hormigónprefabricado que luego se pierde en el fondo del pilote, llegando a la cota prevista severifica el rechazo usando la formula de Hiley.

Se coloca la armadura dentro del tubo y se hecha hormigón dentro de la camisa. La camisase retira aplicándole un movimiento Vibratorio vertical de una frecuencia de 80 ciclospor minuto, con un desplazamiento de 2cm hacia arriba y 1cm hacia abajo en cada pulsación.

80 golpes/min.

Azuche de H

o de fe SuperficieEstriada

4.- Pilotes con camisa enterrada por Perforación y no Recuperada:

Se emplean estos, cuando se tiene suelos o aguas agresivas que pueden atacar loshormigones frescos.

H

N.F

MANTO

ACUIFERO

AGRESIVO

Util de

Excavacion

En general son Armados pues suelen ser pilotes que trabajan de punta. La camisa de perforación queda estable para proteger al hormigón de la agresividad.


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5.- Pilotes con Moldes Hincados y no Recuperados:

a.5.1). PILOTES RAYMOND.-

Consiste en una funda o camisa de chapa delgada de acero, con estrías o canaletas dondese ubica una espiral de acero de 6 u 8mm con paso de 7.5cm.

22” 20” 18” 16” 14”

11m 9m 7.50m 6.0m 4.50m

8”

8”

8”

8”

8”

H

PILOTES PRE-EXCAVADOS CON LODOS BENTONITICOS.-

Son apropiados para terrenos desmoronables y a un bajo nivel freático. No se empleacamisas metálicas de protección sino que mientras se excava, se estabiliza las paredesllenando la perforación con lodos bentoniticos, que por su densidad ejerce presión desdeel pozo excavado hacia el exterior, impidiendo los desmoronamientos.

El lodo Bentonitico de perforación se compone de agua, bentonito, y eventualmentearcilla, cemento y aditivos. En este lodo se debe controlar la densidad (1.05 kg/cm3

hasta 1.2), la viscosidad en el caso Marsh (superior a 35 segundos) el tenor de Arena(inferior a 5%) y el espesor de la pasta o cake, (revestimiento de las paredes) entre 3 y5mm.

Los lodos se preparan en piletones grandes donde se los deja macerar no menos de 24horas antes de su empleo.


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Tolva

Hormigón

Lodo

Camisa Nivel

Metalica del Lodo

N.F.

N.F

Balde Lodo

Excavador

Hormigon

La boca de la perforación debe protegerse con un antepozo de camisa metálica de 2 a 3m de longitud, para prevenir desmoramiento. Es recomendable usar hormigones bastante

fluidos (relación agua-cemento=0.6), con asentamiento en el cono de Abrams de 16 a 18cm y dosificación de cemento de alrededor de 400 kg/m3 para obtener una buenatrabajabilidad.

3.2. Diseño Geotécnico de Pilotes

Los pilotes trabajan normalmente en grupos, pero el cálculo de capacidad de carga sehace primero para un pilote aislado y luego se analiza el efecto de grupo el cual puedeexistir o no.

3.2.1 Capacidad de Carga Última de un Pilote Aislado -

La carga aplicada a un pilote es resistida por la reacción del suelo en la punta del pilote y la reacción de la fricción a lo largo de su fuste.


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Si la carga aplicada es tal que produce la falla del pilote, esta se denomina cargaúltima (Qult), la cual será igual a la suma de la capacidad de carga por punta (Q p) y lacapacidad de carga por fricción (Qf ), es decir:

Qult= Qp + Qf (1)

El término Q p puede expresarse de la siguiente forma:

(Qp) = Ap ( c Nc + ½ B N + Df Nq ) (2)

dónde:

Ap = Área de la punta del pilote.c = Cohesión del suelo subyacente = Peso unitario del suelo

Nc, N, Nq =Parámetros adimensionales de capacidad de carga, que dependen delángulo de fricción interna del suelo

B = Ancho o diámetro del pilote Df = Profundidad de la punta del pilote debajo de la superficie del terreno

De igual forma el término Qf se puede expresar de la siguiente manera:

L=L

Qf = p f s L (3)L=0

f s = ca + ’h tan (4)donde:

p = Perímetro de la sección del pilotef s = Fricción lateral unitaria a lo largo de la longitud ΔL L = Longitud del pilote sobre la cual se asume que la fricción es

movilizadaca = adhesión unitaria’h = Presión efectiva horizontal a lo largo del pilote = Angulo de fricción entre el suelo y el pilote

3.2.1.1 Capacidad de Carga Última de un Pilote Aislado en Suelo Granular

El proceso de instalación de pilotes altera el suelo. En el caso de pilotes dedesplazamiento (hincados) el hincado producirá una compactación y densificación delsuelo circundante; en el caso de pilotes excavados se producirá una descompresiónque reducirá la densidad del suelo circundante.


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El cálculo de capacidad de carga debería hacerse con las propiedades del suelodisturbado luego de la instalación de los pilotes. Sin embargo es difícil predecir elcambio de las propiedades mecánicas del suelo debido a la alteración producida, poresta razón el cálculo de capacidad de carga del pilote se hace con las propiedadesmecánicas iniciales del suelo y el efecto de la alteración se refleja en el parámetro nodimensional Nq y la fricción lateral unitaria f s.

En suelos granulares c = 0 y el término (½ B N) de la ecuación (1) es pequeñocomparado con ( Df Nq), por lo tanto para suelos granulares la ecuación (2) sereduce a:

Qp = Ap Df Nq (5a)

lo que es equivalente a:Qp = Ap ’v Nq (5b)

Donde σ’v es la presión efectiva vertical de confinamiento al nivel de la punta del pilote.

De igual forma, en suelos granulares ca = 0, por lo que la ecuación (4) sereduce a:

f s = ’h tan δ (6a)

La presión efectiva horizontal (’h) puede ser expresada en función de la presiónefectiva vertical (’v) mediante la expresión ’h = Ks ’v , donde Ks es el coeficiente

lateral de tierra. De esta manera la ecuación (6a) se re-expresa así:

f s = Ks ’vl tan (6b)

Con lo cual la ecuación (3) resulta:L=L

Qf = p Ks tan ’vl ∆L (7)L=0

Por lo tanto la expresión final para la capacidad de carga última de suelos granulareses:

L=L

Qult = Qp + Qf = Ap ’v Nq + p Ks tan ’vl L (8) L=0

dónde: Ap = Área de la punta del pilote.’v = Presión efectiva de confinamiento en la punta del pilote

(σ’v(máx.)= valor a la profundidad 20 B)


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’vl = Esfuerzo vertical efectivo al nivel sonde se calcula la fricción.p = Perímetro de la sección del pilote

Ks = Coeficiente de presión de tierra, a determinarse de la Tabla # 2Nq = Factor de capacidad de carga, a determinarse de la Tabla # 1

dependen del ángulo de fricción interna del suelo = 2/3 (donde es el ángulo de fricción interna del suelo)L = Longitud efectiva del pilote

Experimentos a gran escala y observaciones de campo muestran que tanto laresistencia por punta como la resistencia por fricción se incrementan hasta cierta profundidad crítica Dc, más allá de la cual se mantienen constantes. Para efectos prácticos se toma Dc igual a 20 veces el ancho o diámetro del pilote (B), por estarazón se limita el valor de ’v al valor que alcanza al nivel 20 B.

Tabla # 1

Tabla # 2

3.2.1.2 Capacidad de Carga Última de un Pilote Aislado en Suelo Cohesivo

En suelos cohesivos el ángulo de fricción interna ’= 0 , la cohesión c = cu , dondecu es la resistencia al corte no drenada de la arcilla y los factores de capacidad decarga N= 0 y Nq= 1, con lo cual la ecuación (2) se reduce a :

Qp = Ap ( cu Nc + Df Nq ) (9)


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Haciendo un ajuste por el peso del pilote la ecuación (9) puede aproximarse a:

Qp = Ap ( cu Nc + Df Nq ) - Df Ap (10)

Considerando que Nq = 1 para ’= 0, la ecuación (10) se transforma en:Qp = Ap cu Nc (10)

De igual forma en suelos cohesivos la fricción en el fuste (f s) puede escribirse como f s = Ca, con lo cual la ecuación (3) se reduce a:

L=Le

Qf = p ca L (11)L=0

Por lo tanto la expresión final para la capacidad de carga última en suelos cohesivos

es :L=Le

Qult= Qp + Qf = Ap cu Nc + p ca L (12) L=0

donde: Ap = Área de la punta del pilotecu = Resistencia al corte no drenada al nivel de la punta del pilote

(cu = qu / 2, donde qu es la resistencia a la compresión noconfinada)

Nc = Factor de capacidad de carga; Nc = 9 para pilotes hincados con

relación B/L > 4; para pilotes excavados Nc se determina de laTabla # 3.p = Perímetro de la sección del pilote

Le = Longitud efectiva del piloteca = Adhesión pilote-suelo, en la cual se considera Su = cu

La longitud efectiva del pilote (Le) es la que contribuye a la capacidad de carga porfricción y puede ser diferente de la longitud del pilote (L), debido a que la partesuperior del pilote puede no estar en contacto estrecho con el suelo debido a factorestales como alteraciones producidas por el hombre y ablandamiento y fractura delsuelo debido a variaciones estacionales. Esta longitud debe evaluarse en cada casoespecífico. Para estimar Le puede usarse la Tabla # 4, donde la profundidad devariación estacional, en la mayoría de los casos está entre 1.5 y 3.0 m.


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Tabla # 3

Tabla # 4

3.2.2 Carga Admisible de Pilotes

La carga admisible (Qadm) de un pilote se obtiene aplicando un factor de seguridad ala capacidad de carga última del pilote.

Cuando Qult es determinada mediante la aplicación de fórmulas estáticas basadas en parámetros de suelo provenientes de una exploración geotécnica, la carga admisibleQadm es el menor valor de:

Qadm = Qult / 2.5

Qadm = Qp / 3.0 + Qf / 1.5

Cuando Qult es determinada mediante una prueba de carga, se considera un factor deseguridad de 2, es decir:

Qadm = Qult / 2.0


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3.2.3 Capacidad de Carga Última de un Grupo de Pilotes

3.2.3.1 Suelos Granulares

La capacidad de carga última de un grupo de pilotes en un suelo granular (Q ult)G seconsidera igual a la suma de las capacidades de carga de los pilotes individuales, esdecir:

(Qult)G = n Qult

Donde (n) es el número de pilotes.

3.2.3.2 Suelos Cohesivos

En suelos cohesivos generalmente (Qult)G K n Qult. Para efectos prácticos (Qult)G

se puede estimar como el menor de los siguientes valores :

- Acción individual: (Qult)G = n Qult

- Acción de grupo: Considera la falla de grupo de pilotes como un bloque, ver.

(Qult)G = cu Nc APG + ca pG Le, donde APG es el áreade la base del bloque y pG es su perímetro.

3.2.4 Asentamiento de Pilotes

La predicción de asentamientos de cimentaciones con pilotes es complicada debido alas alteraciones y cambios en el estado de tensión del suelo como consecuencia de lainstalación de los pilotes y a las incertidumbres acerca de la distribución y posiciónexacta de la transferencia de cargas del pilote al suelo.

Existen métodos aproximados que permiten estimar los asentamientos de pilotes ygrupos de pilotes, sin embargo debido a la complejidad del problema, estos métodos proporcionan resultados que solo dan una idea de orden de magnitud de los

asentamientos. Estos métodos se encuentran descritos en las referencias Alva (1998)y Prakash (1990).

Una forma simple - Ref. Alva (1998) – de estimar el asentamiento de un grupo de pilotes es considerar al grupo de pilotes como una cimentación equivalente con unárea en planta igual al área del grupo.


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En pilotes predominantemente por punta (arenas) se asume que la cimentaciónequivalente está al nivel de la punta de los pilotes. En pilotes predominantemente porfricción (arcillas) se asume que la cimentación equivalente estará a 2/3 de la longitud

de los pilotes; y si existe un estrato superior de suelo granular o arcilla blanda, seasume que la cimentación equivalente está a los 2/3 de la profundidad deempotramiento en la arcilla portante.

3.2.5 Fórmulas de Hinca

Las fórmulas de hinca correlacionan la energía aplicada para la hinca de los pilotescon la resistencia última del suelo.

Estas fórmulas son confiables únicamente si se sustentan en experiencia local o pruebas de carga; en caso contrario deben usarse sólo como herramientas deconfirmación del diseño hecho sobre la base de información proveniente de unaadecuada exploración geotécnica.

En al referencia NAVFAC (1982) se presenta una relación extensa de formulas dehincado.

3.2.6 Carga Lateral en Pilotes

Las cargas horizontales y momentos aplicados en la cabeza de un pilote sonequilibrados por la reacción del suelo movilizada por la deformación lateral del pilote.

Bajo la acción de una carga horizontal el pilote se flexiona y deforma lateralmente.La magnitud de la reacción del suelo dependerá de su módulo de reacción desubrasante lateral (Kh), es decir:

p = Kh y

dónde :p = Reacción del suelo

Kh = Módulo de reacción de subrasante lateral del sueloy = Desplazamiento lateral del pilote

Esta expresión nos muestra que para la misma deformación (y), un suelo con Kh altomoviliza una reacción (p) alta y un suelo con Kh bajo moviliza una reacción (p) baja.

Es decir para la misma carga lateral, un pilote en un suelo rígido (Kh alto) sedeformará menos y hasta una menor profundidad que en un suelo blando (Kh bajo).


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Esto implica que para la misma carga lateral, se producirán en el pilote momentos deflexión menores en un suelo rígido que en un suelo blando.

Existen diversos métodos para evaluar el comportamiento de pilotes bajo cargalateral, los cuales pueden revisarse en las referencias Prakash (1990) y Tomlinson(1987).

Una regla práctica – Ref. Arze (1966) – para estimar los momentos que produce unafuerza lateral en pilotes es suponer doble empotramiento en el cabezal y en el terreno.El plano de empotramiento en el terreno se supondrá a las siguientes distancias de lacara inferior del cabezal:

- Limos y Arcillas Blandas o Arenas Sueltas : 2.5 m- Otros suelos : 2.0 m

3.2.7 Carga de Tracción en Pilotes

La carga última de tracción de pilotes puede ser estimada de una manera similar a lacapacidad de carga última a compresión, ignorando la capacidad de carga por puntaQ p,. Esto se expresa así:

Tu = Qf + Wp

donde :Tu = Capacidad de carga última a tracciónQf = Capacidad de carga última por fricción

Wp = Peso del pilote

En pilotes con base ensanchada – la capacidad de carga última en suelo granular se puede estimar como el peso del suelo ubicado dentro de un tronco de cono invertidocuya base es la base del pilote y su generatriz forma un ángulo de 30° con la vertical.

Para determinar la carga admisible a tracción se aplica un factor de seguridad de 3, esdecir:

Tadm = Tu / 3

3.3. Diseño Estructural de Pilotes

Los pilotes se deben diseñar estructuralmente para resistir las cargas a las que seránsometidos durante su instalación y vida útil.

En el caso de pilotes de concreto el ACI – 543 da recomendaciones para el diseñoestructural de los pilotes.


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En el caso de pilotes prefabricados la condición de carga crítica se presenta durante elizaje y el hincado de los pilotes.

En caso de pilote vaciados in situ el diseño se hace para resistir los esfuerzos producidos por las cargas que la estructura le aplicará durante su vida útil. Estosesfuerzos son los esfuerzos de compresión debido a la carga vertical y los esfuerzosde flexión producidos por el momento inducido por la fuerza lateral, el cual puedecalcularse según lo indicado en el ítem 4.2.6.

Si no existen fuerzas laterales ni momentos aplicados en la cabeza del pilote,teóricamente el pilote podría no llevar armadura, sin embargo es recomendableconsiderar una armadura mínima con una cuantía de 0.5%.

3.4. Distribución de Pilotes bajo Pilares y Estribos


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Una vez seleccionado el tipo y características del pilote y determinada su capacidadde carga admisible, se diseña la distribución de pilotes bajo la zapata.

Las cargas (verticales, horizontales y momentos) que la superestructura transmite a lazapata deben a su vez ser transmitidos a los pilotes.

La distribución de pilotes bajo un pilar o estribo se hace mediante un procedimientoiterativo. Se supone un número y una distribución de pilotes bajo la zapata y secalculan las cargas transmitidas a cada pilote, luego se verifica que ningún pilote sesupere su capacidad de carga admisible. Si es necesario se aumenta o disminuye lacantidad de pilotes hasta conseguir un diseño óptimo.

Para calcular las cargas transmitidas a cada pilote se pueden emplear métodossimplificados manuales o programas de cálculo que modelan el comportamiento detoda la estructura. Al aplicar estos programas, será necesario modelar la reacción delsuelo empleando sus parámetros esfuerzo deformación tanto para la reacción lateralcomo para la reacción vertical del suelo.

En la referencia Peck (1995) se describe un procedimiento simplificado para calcularlas cargas trasmitidas a cada pilote, el cual reproducimos a continuación:

1.- Hágase una distribución tentativa de los pilotes de la cimentación para la secciónen la base del muro.

2.- Calcúlense las fuerzas verticales VA, PB y PC en cada pilote por medio de lasiguiente ecuación:

V Mc x diVi = ------ + --------------

n di²

donde:

Vi = Carga Vertical en los pilotes de la fila "i"V = Sumatoria de cargas verticales al Nivel de fondo de Zapata.

MC = Sumatoria de Momentos respecto del centroide de los pilotes.Di = Distancia de los pilotes de la fila "i" al eje del centroide.n = Número total de Pilotes


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3.- Compárense las fuerzas verticales en los pilotes inclinados con su carga axial deseguridad. La fuerza vertical máxima en un pilote inclinado debe limitarse a un valorde 8 por ciento menor que el de la carga axial de seguridad, para tomar en cuenta lainfluencia de la inclinación.

4.- Constrúyase el polígono de fuerzas. De acuerdo con este diagrama, si los pilotesde la fila A van a resistir toda la fuerza horizontal ΣH, deben tener la inclinación de lalínea FG. Por tanto la inclinación requerida es:

'

100V

H m

(a)

dónde: m = inclinación de los pilotes expresada en cm (horizontales) pormetro (vertical)

H =V’ = Suma de fuerzas verticales que obran en los pilotes inclinados.

Para la condición mostrada en, V’ = 2 V A

5.- Revísese si la inclinación necesaria es razonable. Si no, se requiere hacer unanueva distribución o los pilotes inclinados deberán usarse en más de una fila como seexplica en lo que sigue.

6.- Calcúlese la fuerza axial en los pilotes inclinados, y compárese con la carga deseguridad acial por pilote. Si se excede la carga de seguridad, hay que hacer unanueva distribución.

Si la fuerza horizontal H es grande, puede ser necesario inclinar más de una fila de pilotes. Si se usan pilotes inclinados en la fila B, además de en la fila A, y si se deseala misma inclinación en ambas filas, una línea que una E y G da la inclinación


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adecuada. Por tanto, la ecuación (a) sigue siendo aplicable, siempre que la sumavertical V’ se ajuste para incluir a PB En algunos proyectos la inclinación difiere defila a fila. En muchos casos, su propio criterio o los resultados de pruebas en el lugar pueden decidir al proyectista a considerar que sólo una parte dice la fuerza horizontaltotal necesita ser resistida por los pilotes inclinados.

El valor de (m) obtenido por medio de la ecuación (a) se aproxima comúnmente alcentímetro. No se justifica más refinamiento, en vista de las muchas suposiciones yde las incertidumbres de campo que afectan a los problemas de este tipo.

3.5. Pruebas de Cargas en Pilotes

Las pruebas de carga consisten en aplicar cargas verticales a un pilote y registrar losasentamientos que se producen.


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Las pruebas de carga en pilotes pueden efectuarse en la etapa de diseño paraoptimizar el diseño de la cimentación, sin embargo, en nuestro medio es poco usualefectuar pruebas de carga en esta etapa debido a su costo considerable.

Lo más generalizado es efectuar pruebas de carga verificadoras, es decir se hace eldiseño de la cimentación con la información geotécnica y durante la ejecución de laobra se verifica que la carga de diseño de los pilotes sea suficientemente segura.

La norma ASTM D1143-81 estandariza los procedimientos para la ejecución de pruebas de carga. Contempla diversos procedimientos de aplicación de cargas, elmás usual es el "Procedimiento Estándar de Carga" ítem 5.1 de la norma, el cualestablece que la prueba sea hecha hasta una carga de prueba máxima igual al 200% dela carga de servicio del pilote. La secuencia de la prueba es la siguiente:


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Ciclo de Carga

La carga máxima de prueba será aplicada en incrementos iguales al 25% de la cargade servicio.

Cada incremento de carga se mantendrá aplicado hasta que la velocidad deasentamiento sea no mayor de 0.25 mm/hora, pero como máximo dos horas.

Antes y después de la aplicación de cada incremento de carga, se registrarán eltiempo, carga y asentamiento de los pilotes. En cada nivel de carga, se tomaránlecturas adicionales a intervalos de 10 minutos durante los primeros 40 minutos y aintervalos de 20 minutos de allí en adelante.

Ciclo de Espera con Carga

Se mantendrá la carga máxima de prueba durante 12 horas. En caso que la velocidadde asentamiento al final de las 12 horas sea mayor o igual a 0.25mm/hora, la cargamáxima deberá mantenerse 12 horas adicionales.

Se registrarán el tiempo, carga y asentamiento a intervalos de 20 minutos durante las primeras dos horas, a intervalos de una hora durante las siguientes diez horas y, encaso de ser necesario, a intervalos de 2 horas durante las siguientes 12 horas.

Ciclo de Descarga

Después del tiempo de espera requerido, se retirará la carga de prueba endecrementos iguales al 25% de la carga máxima de prueba, con una hora entre

decrementos.

Se tomarán lecturas antes y después de la remoción de cada carga; en cada nivel decarga se tomarán lecturas adicionales cada 20 minutos.

Ciclo de Espera sin Carga

Se tomará una lectura final 12 horas después de la remoción total de la carga.

Para estimar la carga de falla del pilote, los registros de la prueba de carga se graficanen un sistema de coordenadas Carga-Asentamiento. En algunos casos es muy claro el

punto de falla en curva Carga-Asentamiento, ya que se observa un cambio brusco ensu pendiente. Sin embargo, en la mayoría de los casos la pendiente de la curva se vainclinando gradualmente y no existe un punto claro de falla. Para interpretar estoscasos existen diversos métodos – ver referencia Prakash (1990) - , el más usual deestos es el Método de Davisson.

Capitulo 8 - Texto Guia

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