CIMENTACIONES PROFUNDAS
Cimentaciones Ciment aciones profundas
1. CONSIDERACIONES GENERALES EN PILOTAJE
Cimentaciones profundas Cimentaciones 1. Consideraciones generales en pilotaje
1. USO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS
Cimentaciones profundas Las cimentaciones profundas se
emplean cuando los estratos de suelo o de roca situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar la carga, con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable. El hecho de llevar la cimentación hasta el primer estrato resistente que se encuentre no es suficiente, aunque ésta sea la decisión que a menudo se toma, la cimentación profunda debe analizarse de la misma manera que la superficial.
Cimentaciones profundas Como la
cimentación superficial, también la cimentación profunda, incluyendo los estratos de suelo o roca situados debajo, deben ofrecer seguridad (corte) y no asentarse excesivamente por efecto de las cargas de la estructura que soportan.
Profundidad y ancho de pilotes
Pilotes Los
pilotes son fustes relativamente largos y esbeltos que se introducen en el terreno. Aunque algunas veces se hinca en el terreno pilotes hasta de 1.50 m de diámetro, por lo general sus diámetros son inferiores a 60 cm.
Pilares Los
pilares son de mayor diámetro y se construyen excavando y, por lo general, permiten una inspección ocular del suelo o roca donde se apoyarán. Los pilares son en realidad cimentaciones que trabajan como zapatas o plateas a gran profundidad.
Sistemas de hincado manual
Sistema actual de hincado
Cimentación con pilotes
Secciones de pilotes
Uso de pilotes Los principales usos de los pilotes son: Transferir carga a través de agua o de suelo de baja resistencia, a estratos de suelo resistente ubicados a mayor profundidad. Transferir cargas por debajo de la profundidad de erosión o de licuefacción. Proveer anclaje a estructuras sujetas a fuerzas de levantamiento. Resistir fuerzas horizontales o inclinadas Compactar suelos granulares Proteger estructuras marinas del impacto de embarcaciones.
Cimentaciones profundas 1. Consideraciones generales en pilotaje
2. CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES
Clasificación Los pilotes se pueden clasificar en base a diferentes criterios, siendo los principales los siguientes: por el material con que son construidos, por el método de instalación, y, por la forma de transferencia de las cargas.
Clasificación - Materiales Los materiales comúnmente utilizados para construir pilotes son: madera, concreto: prefabricado, » concreto vaciado in-situ, »
acero:
tubos, » perfiles H »
y combinaciones de los
anteriores.
Clasificación - Instalación De acuerdo al método de instalación, los pilotes se clasifican en: hincados, »
en arenas el método de instalación por hincado puede ser combinado con inyección de agua (jetting) para ayudar a la penetración del pilote.
instalados por vibración y excavados (o
perforados).
Clasificación - Transmisión de cargas En cuanto a la forma de transmisión de las cargas, se clasifican en: pilotes de fricción y pilotes de punta.
Pilote de fricción Es
aquel que ha sido instalado en un suelo más o menos homogéneo y que transfiere una parte importante de la carga al suelo que lo rodea por fricción lateral y el resto de la carga por medio de la punta del pilote.
Pilote de punta Es aquel que atraviesa cierto
espesor de suelo de baja resistencia y transfiere prácticamente toda su carga a un estrato de alta resistencia ubicado a cierta profundidad. En estos pilotes, usualmente se considera resistencia de punta a toda la carga transferida al estrato de alta resistencia, tanto por fricción lateral en dicho estrato como la punta misma del pilote.
Cimentaciones profundas 1. Consideraciones generales en pilotaje
3. MÉTODOS DE INSTALACIÓN DE PILOTES
Hincado de pilotes El hincado se
efectúa utilizando un martillo que hace penetrar al pilote mediante golpes. El hincado puede efectuarse golpeando la cabeza del pilote, que es el procedimiento normal en los pilotes de madera, concreto prefabricado y acero. Se coloca un protector en la cabeza del pilote para protegerla de daños debidos al impacto.
Hincado de pilotes En algunos tipos
de pilotes de concreto vaciado in-situ, previamente se hinca un tubo o forro de acero golpeando un mandril o tapón situado en el extremo inferior del tubo, con un martillo accionado desde la superficie.
Hincado de pilotes
Registro de hinca
Guías para el hincado de pilotes
Tipos de martillos Los principales tipos de martillos existentes son:
de caída libre » de acción simple » de acción doble (o diferencial) » Diesel » vibratorio »
Existen muchas marcas y modelo de martillos.
Grúa para el hincado de pilotes
Ejemplos de martillos Caída Libre – Vulcan Modelo K M P S T V W WH 272 363 544 680 816 1,134 1,361 kg (lb) (600) (800) (1,200) (1,500) (1,800) (2,500) (3,000) Acción Simple – McKernan-Terry Modelo S3 S5 S8 S10 S14 S20 H 0.91 0.99 0.99 0.99 0.81 0.91 (36) (39) (39) (39) (32) (36) m (pulg) WH 1,361 2,268 3,629 4,536 6,350 9,072 (3,000) (5,000) (8,000) (10,000) (14,000) (20,000) kg (lb) Doble Acción – Raymond Modelo 15M 65C 80C 125CX 150C 2,074 2,696 3,380 5,616 6,740 E kg-m (lb-pie) (15,000) (19,500) (24,450) (40,625) (48,750) WH 2,268 2,948 3,629 6,804 6,804 (5,000) (6,500) (8,000) (15,000) (15,000) kg (lb)
Ejemplos de martillos Diesel – Delmag Modelo D2 D4 D5 D12 D22 D30 D36 D44 D55
WH (kg) 220 380 500 1,250 2,200 3,000 3,600 4,300 5,400
E (kg – m) 120 – 250 225 – 500 1,250 3,125 5,500 3,300 – 7,500 4,200 – 10,200 6,000 – 12,000 8,650 – 16,200
Ejemplos de martillos Diesel – Delmag Modelo D2 D4 D5 D12 D15 D22/13 D30/13 D36 D44 D55
WH (kg) 220 380 500 1,220 1,500 2,200 3,000 3,600 4,300 5,400
E (kg – m) 120 – 250 225 – 500 1,250 3,125 3,750 6,700 4,550 – 9,100 4,200 – 10,200 6,000 – 12,000 8,650 – 16,200
Martillos Diesel-Delmag Modelo D6 - 3 2 D8 - 2 2 D12 - 42 D16 - 32 D19 - 42 D25 - 32 D30 - 32 D36 - 32 D46 - 32 D62 - 22 D80 - 23 D100 - 13 D150 - 42 D200 - 42
WH (kg) 600 800 1,280 1,600 1,820 2,500 3,000 3,600 4,600 6,200 8,000 10,000 15,000 20,000
E (kg - m) 900 - 1,900 1,300 - 2,750 2,000 - 4,700 2,550 - 5, 5,500 2,950 - 6, 6,700 4,100 - 9,200 4,900 - 10,500 5,700 - 12,550 7,250 - 16,900 10,900 - 22 2 2,850 17,450 - 29,350 21,800 - 36,700 33,550 - 52,200 44,450 - 69,500
Perforación Otra
técnica de instalación de pilotes es por medio de perforación. La perforación puede efectuarse a través de un forro de acero, por las técnicas de rotación (diamantina o auger), percusión (cuchara de válvula) o cuchara de mandíbula. Alternativamente, puede perforarse sin el forro, manteniendo la perforación llena de barro bentonítico para estabilizar sus paredes. Usualmente después de concluida la perforación, se construye un pilote de concreto vaciado in-situ.
Cimentaciones profundas 1. Consideraciones generales en pilotaje
4. TIPOS DE PILOTES
Tipos de pilotes Se entiende por “tipo de pilote” a una
determinada combinación de los materiales que lo forman, del equipo utilizado para su construcción y del procedimiento de instalación. El NAVFAC DM-7.2 presenta las principales características de los diversos tipos de pilotes existentes. Si bien algunos de estos tipos de pilote no se encuentran disponibles en nuestro país, su implementación es perfectamente posible.
Tipos de pilotes (NAVFAC) 1. Madera1 2. Concreto prefabricado (incluye pretensado)3 3. Concreto vaciado in-situ a. b. c. d.
inyectados a presión (tipo Franki)6 con funda delgada hincada con mandril4 con funda hincada sin mandril5 perforado con auger9
4. De acero a. tubulares7 b. perfiles H2
5. Compuestos8
1.- Pilotes de madera Deben
tomarse precauciones para evitar daños durante el hincado, ya que se trata de un material relativamente débil para resistir el impacto. El daño puede ocurrir tanto en la cabeza del pilote por efecto del impacto del martillo, como en la punta si es que se encuentra obstrucciones o se trata de pilotes de punta. Usualmente son poco adecuados como pilotes de punta. Maderas resistentes (de la selva): huacapu » quinilla » quinquina »
Pilotes de madera
2.- Pilotes de concreto prefabricado Normalmente
el diseño estructural está regido por los esfuerzos que se producirán durante la manipulación e izaje de los pilotes antes del hincado. Por esto, en la obra deben izarse en la forma especificada por el proyectista. Debido a los esfuerzos de hincado, es necesario esperar que se desarrolle la resistencia del concreto, antes de proceder al hincado.
Fabricación in situ
Izaje de pilotes
Instalación tipica con martillo Diesel
Terminado del pilotaje
Terminado del pilotaje
Terminado del pilotaje
Terminado del pilotaje
3.- Pilotes de concreto vaciados in-situ 3a. Pilotes inyectados a presión (tipo Franki) Primero
se hinca un tubo de acero con su extremo inferior cerrado con un tapón de grava compactada. El tapón se forma parando el tubo sobre el terreno, vaciando grava en su interior y golpeándola con el martillo, lo que la compacta y acuña contra el tubo. El hincado se efectúa golpeando el tapón de grava, hasta alcanzar la profundidad especificada si se trata de pilotes de fricción, o el rechazo si se trata de pilotes de punta.
3.- Pilotes de concreto vaciado in-situ 3a. Pilotes inyectados a presión (tipo Franki) Una vez alcanzada la profundidad final
de hincado, se sujeta el tubo con cables y se golpea el tapón para que salga; luego se vacía concreto de muy bajo slump a través del tubo y se compacta haciéndolo salir por el extremo inferior del tubo para formar un bulbo de mayor diámetro que el tubo.
3.- Pilotes de concreto vaciado in-situ 3a. Pilotes inyectados a presión (tipo Franki) Después
de formado el bulbo, se baja dentro del tubo de acero de refuerzo y se procede a formar el cuerpo del pilote vaciando concreto dentro del tubo, compactándolo con el martillo en capas de no más de 30 cm y levantando el tubo una altura igual a la capa compactada; este ciclo se repite hasta extraer el tubo totalmente. Alternativamente, estos pilotes pueden también construirse dejando perdido el forro de acero, el cual es rellenado con concreto después de formado el bulbo en su extremo inferior.
Pilotes Franki
Pilotes Franki
Punta de pilotes Franki
3.- Pilotes de concreto vaciado in-situ 3b. Con funda delgada hincada con mandril Estos
pilotes se construyen hincando primero una funda delgada de acero, que se hinca por medio de un mandril que acciona en el extremo inferior de la funda. Una vez hincada la funda hasta la profundidad final, ésta se deja en el lugar y en su interior se vacía el concreto.
3.- Pilotes de concreto vaciado in-situ 3c. Con funda hincada sin mandril Este tipo de pilotes es similar al anterior, pero la
funda es de mayor espesor, lo que permite que sea hincada desde su extremo superior. Una vez hincada la funda hasta su profundidad final, se procede a vaciar el concreto en su interior.
3.- Pilotes de concreto vaciado in-situ 3d. Pilote perforado con auger Estos pilotes se construyen extrayendo el suelo
desde el extremo inferior de un tubo de acero, el cual se va bajando simultáneamente a la perforación. Una vez alcanzada la profundidad final requerida, se empieza a levantar el tubo y a vaciar simultáneamente concreto en su interior. Alternativamente, la perforación puede efectuarse sin entubarla, manteniéndola llena con barro bentonítico. Una vez alcanzada la profundidad deseada, se introducen tuberías hasta el fondo de la perforación y a través de ellas se vacia el concreto.
Equipo para pilotaje perforado
Vaciado del concreto en un pilote perforado
4a. Pilotes tubulares de acero Estos pilotes están constituidos por tubos
de acero de espesor normalmente entre 5/16 y ½ pulg, los cuales se hincan en el terreno; el hincado puede efectuarse con la punta inferior cerrada o abierta. Luego, el tubo vacío puede ser el pilote o se puede incrementar su peso y resistencia llenándolo con concreto. También es posible colocar refuerzo adicional de acero en su interior.
Pilotes tubulares de acero
Pilotes tubulares de acero
Pilotes tubulares de acero
4b. Perfiles H de acero Son
pilotes utilizados normalmente para transferir carga por punta a estratos muy resistentes, debido a la alta resistencia estructural de estos perfiles.
Perfiles H de acero
Terminado de pilotes metálicos
Cimentaciones profundas 1. Consideraciones generales en pilotaje
5. SELECCIÓN DEL TIPO DE PILOTE
Selección del tipo de pilote En cada caso particular debe buscarse el o los
de pilotes más apropiados. La selección del tipo de pilote debe tomar en cuenta los siguientes factores: cargas transmitidas por la estructura » características del suelo » materiales existentes en la región » técnicas y equipos de construcción disponibles »
tipos
Método de selección A partir
de estas consideraciones, en cada caso se pueden escoger una o más alternativas razonables acerca del tipo de pilote, las cuales deberán ser pre-diseñadas y la elección definitiva efectuada luego en base a su costo, facilidad de construcción, tiempo de construcción y otros factores de orden práctico.
Cimentaciones profundas 1. Consideraciones generales en pilotaje
6. PROCEDIMIENTO GENERAL PARA EL DISEÑO DE PILOTAJES
Método para el diseño de pilotes Es un proceso de aproximaciones sucesivas, a partir de soluciones tentativas seleccionadas en base a la experiencia del proyectista y que son luego analizadas detalladamente para verificar sus factores de seguridad y asentamientos. Se sugiere el procedimiento siguiente: 1. Forma de transferencia de la carga.- A partir de la estratigrafía del subsuelo se decide el tipo de pilote en relación a la forma de transferencia de carga, es decir, si se utilizará pilotes de fricción o pilotes de punta. Esta decisión normalmente no depende de una elección del proyectista, sino de la existencia de un estrato bastante más resistente que los sobreyacentes a una profundidad razonable, en cuyo caso se utilizarán pilotes de punta; en caso contrario se utilizarán pilotes de fricción.
Método para el diseño de pilotes 2. Selección del tipo de pilote.- En función de las cargas transmitidas por la estructura y de las características del subsuelo, se eligen el tipo de pilote y su carga de trabajo tentativa, dentro de los rangos de cargas de trabajo apropiados para cada tipo de pilote. Debe recordarse que la estructura, el pilote y el suelo son elementos en serie, serie, es decir, están sometidos a la misma carga. En consecuencia, si la estructura transmite cargas elevadas y el suelo posee suficiente resistencia, lo usual es utilizar pilotes con carga de trabajo elevada. Por el contrario, si la estructura transmite cargas bajas o el suelo no es muy resistente, es necesario utilizar pilotes con cargas de trabajo baja.
Método para el diseño de pilotes 3. Dimensionamiento del pilote.- Se efectúa el dimensionamiento de los grupos de pilotes y el diseño estructural estructur al de éstos. El diseño estructural debe tener en cuenta todas todas las solicitaciones a las que los pilotes van a estar sometidos y entre entre las cuales se debe incluir: »
»
»
»
cargas transmitidas por la estructura (compresión, tracción y cargas fuerza horizontal), horizontal), tanto en condiciones permanentes como eventuales; efecto de columna en caso de que los pilotes tengan un tramo al aire libre o en agua; esfuerzos esfuerz os de izaje en caso de tratarse de pilotes de concreto pref prefabricado; abricado; en estos casos se deberá deberá considerar en el proyecto proyecto el número número de puntos de izaje izaje y la posición de éstos. éstos. esfuerzos producidos en el pilote durante su hincado, en los casos en que se trate de pilotes de madera, concreto prefabricado o acero. Para calcular los esfuerzos de hincado es necesario, previamente, previamente, conocer el martillo que se utilizar utilizará. á.
Método para el diseño de pilotes 4. Cálculo de la capacidad de carga.»
Pilotes de fricción: Se determina por medio
de fórmulas estáticas, que consideran la resistencia del suelo por adherencia o fricción en el área lateral del pilote y la capacidad de carga en la punta. Habiéndose elegido tentativamente la carga de trabajo del pilote, su sección transversal y el dimensionamiento de los grupos de pilotes, la fórmula estática estática permite determinar la longitud de los pilotes para obtener un factor de seguridad apropiado. »
Pilotes de punta: La longitud de los pilotes está condicionada por la
estratigrafía del suelo y por la profundidad del estrato resistente donde deben alcanzar el rechazo.
Método para el diseño de pilotes Una
vez que el pilote comienza a penetrar en el estrato resistente, su capacidad de carga aumenta muy rápidamente en función de dicha penetración; por esto, para alcanzar una determinada capacidad de carga con un pilote de punta instalado por hincado, es generalmente suficiente diseñarlo estructuralmente para resistir dicha carga e hincarlo con un martillo apropiado. En estos casos la resistencia del suelo se calcula por medio de una fórmula dinámica (fórmula de hinca), en función de la energía proporcionada por el martillo utilizado para el hincado y del rechazo (penetración por golpe al final del hincado) que debe alcanzarse para desarrollar la carga de diseño. »
Un caso especial lo constituyen los pilotes de punta instalados por medio de perforación y vaciados insitu, en los cuales la capacidad de carga se calcula por la fórmula estática.
Método para el diseño de pilotes 5. Asentamiento de los pilotes.- Se calculan los asentamientos que ocurrirán en el suelo, como consecuencia de las cargas transferidas por los pilotes, los cuales se comparan con los asentamientos tolerables por la estructura. Los pasos 2, 3, 4 y 5 son iterativos y deben repetirse
hasta conseguir un diseño que proporcione factores de seguridad adecuados y asentamientos menores que los tolerables. Este proceso se repite para las alternativas de solución que se tomen en cuenta, las cuales pueden consistir en pilotes de distintos tipos o en distintas dimensiones de pilotes y de grupos de pilotes, hasta encontrar la solución que se considere óptima para el caso particular.
Cimentaciones profundas
2. CAPACIDAD DE CARGA DE UN PILOTE AISLADO
Capacidad de carga de un pilote aislado Se denomina capacidad de carga de un pilote, a
la capacidad de carga del suelo donde está instalado para soportar las cargas transmitidas por el pilote. La capacidad de carga se calcula empleando la fórmula estática o la fórmula dinámica. Cada tipo de fórmula es aplicable a un tipo de pilote: Fórmula estática: pilotes de fricción y pilotes de punta perforados. » Fórmula dinámica: pilotes de punta hincados. »
Cimentaciones profundas 2. Capacidad de carga de un pilote aislado
1. FÓRMULA ESTÁTICA
Fórmula estática La fórmula estática para calcular la capacidad de carga (resistencia última) de un pilote aislado se expresa de manera general por la expresión siguiente:
Qdi
QP
Qf
Dónde: Qdi capacidad de carga del pilote aislado (individual), QP capacidad de carga en la punta, capacidad de carga por fricción lateral. Q f
Fórmula estática
Fórmula estática Qdi qd AP ss AL
Dónde: qd capacidad de carga (unitaria) del suelo a la profundidad de la punta del pilote AP área de la punta del pilote ss fricción lateral en la superficie de contacto pilote-suelo AL área lateral del pilote.
Factor de seguridad para fórmulas estáticas Para calcular la carga de trabajo en compresión para pilotes de fricción, tanto en suelo cohesivos como en suelos granulares, el factor de seguridad recomendado es de: 3 para cargas permanentes 2 para cargas temporales
Fórmula Fó rmula est estátic áticaa - Consi Consider deracion aciones es Tener presente presente en la fórmula estática: estática: 1. Fricción lateral.»
»
los pilotes son elementos muy rígidos en relación con los suelos que los rodean. el desplazamiento relativo suelo-pilote es el mismo a lo largo de toda su longitud.
Fórmula Fó rmula est estátic áticaa - Consi Consider deracion aciones es »
»
como el desplazamiento relativo relativo suelo-pilote requerido para movilizar la fricción lateral depende de la rigidez de cada suelo, se debe considerar que en los estratos de suelo bastante más blandos o sueltos que los demás no se moviliza la fricción lateral, si existe cierto espesor de suelo licuefactable licuefactable,, en dicho espesor no se debe calcular fricción lateral. lateral.
2. El término correspondiente correspondiente a la fricción lateral se debe calcular como una sumatoria para los diferentes estratos que constituyen el perfil.
Fórmula Fó rmula est estátic áticaa - Consi Consider deracion aciones es 3. Las características características de los suelos que intervienen en la fórmula estática, estática, deben tener en cuenta que las propiedades de los suelos son considerablemente alteradas por la instalación del pilote y difieren de las que puedan haberse medido durante la investigación del suelo. »
En los suelos granulares, granulares, la introdu i ntroducción cción del pilote produce compactación (densificación), tanto por el desplazamiento del volumen del pilote como por las vibraciones producidas por el hincado.
Fórmula estática - Consideraciones »
En los suelos cohesivos se produce un amasado debido a la introducción del pilote que destruye la estructura del suelo y lo afecta hasta una distancia de varios diámetros, ocasionándole una sobrepresión hidrostática y su posterior reconsolidación. El efecto combinado de estos cambios hace que la resistencia al corte de los suelos cohesivos que intervienen en la fórmula estática disminuye por la instalación del pilote y difiere de la que pueda haberse medido durante la investigación del suelo.
Fórmula estática - Consideraciones 4. En el caso de pilotes de punta perforados, no se debe considerar la fricción lateral en los suelos que sobreyacen el estrato resistente, ya que debido a su poca rigidez comparada con la del estrato resistente, no se llega a producir el desplazamiento relativo suelo-pilote necesario para movilizar dicha fricción lateral.
Fórmula estática - Consideraciones 5.
En el caso de pilotes de punta hincados, no se puede aplicar la fórmula, ya que toda la resistencia proviene de la penetración del pilote dentro del estrato resistente. Esta penetración no puede ser especificada como un valor fijo, ya que el pilote sólo penetra hasta alcanzar rechazo. Incluso después de haber hincado un pilote es difícil conocer con precisión cuánto penetró dentro del estrato resistente.
Fórmula estática – Suelo cohesivo Qdi qd AP ss AL
qd cN c s s ca Qdi cN c AP ca AL Dónde: c cohesión del suelo en la punta del pilote Nc factor de capacidad de carga ca adherencia en la superficie lateral del pilote.
Presión de tapada (Nc = 9) N c es
función de z/B y para pilotes (z/B > 5) N c = 9. Para otros valores, se tiene: z/B Zapata cuadrada Cim. continua
1 2 7.7 8.4 6.5 7.2
3 8.7 7.5
>4 9.0 7.6
Debe notarse que el término ( D f ) no ha sido
incluido en el cálculo de qd , asumiendo que se compensa con el peso propio del pilote.
Presión de tapada (Nc = 9)
Adherencia, c a ca (kg/cm2) Consistencia
c (kg/cm2)
Muy blanda 0 – 0.125 Blanda 0.125 – 0.25 Med. compacta 0.25 – 0.50 Compacta 0.50 – 1.00 Muy compacta 1.00 – 2.00 Dura > 2.00
Pilotes de Pilotes de madera y acero concreto 0 – 0.125 0- 0.125 0.125 – 0.24 0.125 – 0.23 0.24 – 0.375 0.23 – 0.35 0.375 – 0.475 0.35 – 0.36 0.475 – 0.65 0.36 – 0.375 0.65 0.375
Fórmula estática – Suelo granular Qdi qd AP ss AL ´
qd T N q ´
s s K HC 0 tan Qdi T N q AP K HC 0 tan AL ´
´
Fórmula estática – Suelo granular Dónde: ‘ T presión efectiva vertical a la profundidad de la punta (tip) del pilote. Nq factor de capacidad de carga. K HC coeficiente de empuje horizontal, igual a la relación entre los esfuerzos efectivos horizontal y vertical en un elemento en compresión adyacente al pilote. ‘0 presión efectiva vertical a la profundidad considerada. ángulo de fricción pilote-suelo.
Incremento de la presión vertical, zc Para
la aplicación de la fórmula estática para pilotes de fricción en suelos granulares, se debe considerar que la presión efectiva vertical aumenta sólo hasta una profundidad zc igual a 20 veces el ancho o diámetro del pilote, medida a partir de la profundidad donde se desarrolla la resistencia por fricción.
Factor de capacidad de carga, N q (grados) * 26 28 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Pilotes de desplazamiento 10 15 21 24 29 35 42 50 62 77 86 120 145 hincados Nq Pilotes excavados o 5 8 10 10 14 17 21 25 30 28 43 60 72 perforados** F
´
* **
limitar a 28° si se usa inyección de agua en caso de utilizar cuchara de válvula o de mandíbula bajo la napa freática, calcular la capacidad de carga de punta con F ´ no mayor de 28º
Coeficiente de empuje horizontal Tipo de pilote Hincado H Hincado de desplazamiento Hincado de desplazamiento, troncocónico Hincado y con inyección de agua Perforado
KHC 0.5 – 1.0
KHT 0.3- 0.5
1.0 – 1.5
0.6 – 1.0
1.5 – 2.0
1.0 – 1.3
0.4 – 0.9
0.3 – 0.6
0.7
0.4
Ángulo de fricción pilote - suelo Tipo de pilote Acero Concreto Madera
δ
20° ¾ Φ´ ¾ Φ´
Factor de seguridad para fórmulas estáticas En el caso de tracción:
Ta
T u FS
W p
con FS = 3 La fórmula anterior puede aplicarse también a pilotes de punta.
Tracción – Suelo cohesivo Similarmente, la resistencia última de
un pilote en tracción (arranque) en un suelo cohesivo está dada por:
Túlt Q f ca AL
Tracción – Suelo granular La resistencia última en tracción en un
suelo
granular está dada por:
Túlt Q f K HT 0 tan AL ´
Dónde: K HT coeficiente de empuje horizontal para un elemento afectado por el efecto de tracción del pilote.
Cimentaciones profundas 2. Capacidad de carga de un pilote aislado
2. FÓRMULA DINÁMICA
Fórmulas dinámicas Las fórmulas dinámicas, también llamadas
fórmulas de hinca, se utilizan para calcular la capacidad de carga del suelo en los casos de pilotes de punta hincados. Las fórmulas dinámicas relacionan la energía transmitida por el martillo a la cabeza del pilote al final del hincado, con el trabajo efectuado por el pilote al vencer la resistencia del suelo para penetrar bajo el efecto de los golpes del martillo.
Trabajo efectuado por el pilote
Forma general de las fórmulas dinámicas Conceptualmente y en su forma más general, las fórmulas dinámicas se expresan en la forma siguiente:
El W E L W Qdy s
Dónde: E l energía transmitida por el martillo W trabajo efectuado por el pilote al penetrar E L pérdida de energía Qdy capacidad de carga del suelo s penetración del pilote por golpe
Forma general de las fórmulas dinámicas A
partir de esta expresión, se despeja la capacidad de carga del suelo, en función de la energía del martillo y de la penetración del pilote El Qdy s E L Qdy
El
s
E L
Forma general de las fórmulas dinámicas Las diversas fórmulas dinámicas existentes en
la bibliografía, se diferencian unas de otras por las pérdidas de energía que consideran y los procedimientos utilizados para calcularlas. Las principales causas de pérdida de energía durante el hincado de pilotes son las siguientes : el martillo; » el impacto entre el martillo y la cabeza del pilote; » la compresión elástica del protector de la cabeza del pilote y del pilote mismo; » la compresión del suelo. »
Forma general de las fórmulas dinámicas Las fórmulas dinámicas toman en general la forma siguiente: Qdy
f ( s, En ,WH , H ,Wp , L, E , A, c )
Dónde: Qdy capacidad de carga (resistencia última) del suelo para soportar el pilote s penetración del pilote por golpe al final del hincado, se calcula como la penetración promedio por golpe, medida sobre una cierta longitud de penetración del pilote
Fórmula dinámica: Qd y E n
W H
f ( s, E n ,W H , H ,Wp , L, E , A , c)
energía neta transmitida por el martillo, después de descontar de la energía nominal del martillo las pérdidas que ocurren en éste por fricción, desgaste, fugas en tuberías de vapor o aire comprimido, etc.; usualmente la pérdida de energía en el martillo se considera por medio de un factor de eficiencia del martillo, que multiplica a su energía nominal peso de la parte del martillo que golpea.
Fórmula dinámica: Qd y H W p L
f ( s, En ,WH , H ,W p , L, E , A, c)
altura de caída del martillo. peso del pilote. longitud del pilote. Se debe considerar la longitud total del pilote que se está hincando y no la longitud que se encuentra enterrada, ya que este término interviene en el cálculo de la pérdida de energía por compresión elástica del pilote.
Fórmula dinámica: Qdy E: A: c:
f ( s, En ,WH , H ,Wp , L, E , A, c )
módulo de elasticidad del pilote. sección transversal del pilote. factor semiempírico de la elasticidad del pilote y del suelo, utilizado en algunas fórmulas. Representa la penetración adicional que tendría el pilote, si no ocurriesen pérdidas de energía.
Forma general de las fórmulas dinámicas Para martillos de caída libre y de acción simple, la energía nominal es: El
WH H
mientras que para otros martillos depende de las fuerzas que lo impulsan y viene especificada en los catálogos.
F ó r m u l a s
d i n á m i c a s
Fórmulas dinámicas A continuación se presentan y discuten algunas características de las fórmulas dinámicas más utilizadas: 1. Engineering News 2. Delmag 3. Janbu
1.- Fórmula de Engineering News Esta es
una fórmula antigua, desarrollada por Wellinton (1888) para pilotes de madera hincados por medio de martillos de caída libre o de vapor de acción simple. Incorpora un FS = 6 Su uso sólo se justifica para los tipos de pilote y martillo para los cuales fue desarrollada. La experiencia (comparación entre los resultados de la aplicación de la fórmula y valores de pruebas de carga), demuestra que si se utiliza para otros tipos de pilotes y martillos, el FS real varía entre menos de 1.2 y mas de 30, en lugar del 6 considerado.
1.- Fórmula de Engineering News Qdy Dónde: c
W H H s c
0.1” para martillos de vapor de acción simple
1” para martillos de caída libre Considerando FS = 6, s y c en pulgadas, W H en libras, H en pies 2W H H
Qa
Qa
s c
carga de trabajo del pilote (libras)
2.- Fórmula Delmag Ha sido
desarrollada para ser utilizada con cualquier tipo de pilote hincado con martillos Diesel Delmag:
Qdy
En W H (c L s ) (W H
WP )
La constante de elasticidad del pilote y
depende del material del pilote:
c = 0.6 mm/m para madera » c = 0.3 mm/m para concreto y acero »
El FS recomendado es de 2 a 3.
suelos
3.- Fórmula de Janbu La
fórmula de Janbu se emplea cuando no se conoce con detalle las características del equipo y la protección del pilote. Para un pilote y martillo específico, se tiene: Qdy f ( s ) Esta
fórmula se utiliza con un factor de seguridad de 3. La comparación de los valores calculados con los resultados de pruebas de carga indica que el factor de seguridad real varia entre 1.75 y 4.4.
3.- Fórmula de Janbu Qdy
E n K u s
K u C d 1 C d S e
0.75
2
2
1 2
0.15
En L
E A
S e
Cd s
W p W H
2
Capacidad de carga máxima de un martillo La capacidad de carga máxima que un martillo
determinado puede proporcionar a un pilote específico, se obtiene remplazando s = 0 (o sea rechazo absoluto) en las fórmulas dinámicas. Físicamente esta situación corresponde al momento del hincado en que el martillo rebota sobre el pilote sin hacerlo penetrar más. Los valores máximos que se obtienen para cada una de las fórmulas antes presentadas son:
Capacidad de carga máxima - Janbu Qdy
En
Cd 1
1
si s 0 : Qdy
E n
Cd S e2 2
Se2 2
Cd s
2
s
E n
Cd s
Cd 2 s 2
Cd2 s 2 S e2 2
C d s
2
Capacidad de carga máxima ENR : Qdymáx
12W H H
Delmag : Qdymáx Janbu : Qdy max
c En W H c L (W H 2 E n
cd S e
WP )
Cimentaciones profundas
3. GRUPO DE PILOTES
Suelo implicado por un grupo de pilotes
Cimentaciones profundas 3. Grupo de pilotes
1. ESPACIAMIENTO ENTRE PILOTES
Espaciamiento de pilotes Uno de
los factores que requiere ser decidido al diseñar un grupo de pilotes, es el espaciamiento s entre éstos: s
kb
Dónde: s distancia entre centros de pilotes k factor de separación b diámetro del pilote
Espaciamiento de pilotes
Espaciamiento de pilotes Espaciamientos mínimos recomendados por
Tomlinson (1977): Longitud del pilote (m) L < 10 10 ≤ L ≤ 25 L > 25
S 3b 4b 5b
Cimentaciones profundas 3. Grupo de pilotes
2. CARGAS TRANSMITIDAS A LOS PILOTES
Cargas transmitidas a los pilotes Las estructuras transmiten normalmente a
sus cimentaciones cargas verticales combinadas con momentos, lo que en el análisis de estabilidad se representa como cargas excéntricas. La excentricidad de la carga aplicada trae como consecuencia que las cargas transmitidas a los pilotes no sean iguales entre sí, sino que los pilotes ubicados hacia el lado de la excentricidad reciban mayor carga que los ubicados en el lado opuesto.
Grupo de pilotes con carga excéntrica
V
Q1 Q2 Q3 Q4
V (e
B
2
) Q2 x2 Q3 x3 Q4 x4
Cargas transmitidas a los pilotes En estos casos, las cargas aplicadas que se
deben considerar son las de los pilotes más cargados. Cuando existen pilotes verticales e inclinados, se debe efectuar un análisis de equilibrio en el cual se consideren simultáneamente todas las cargas actuantes sobre el grupo de pilotes (vertical, horizontal y momento) y se plantean las ecuaciones de equilibrio de fuerzas (horizontales , verticales) y momentos.
Cimentaciones profundas 3. Grupo de pilotes
3. CAPACIDAD DE CARGA DEL GRUPO DE PILOTES
Falla de un grupo de pilotes Cuando se trata de grupos de pilotes, la falla del
grupo puede ocurrir de acuerdo a tres mecanismos diferentes, a los cuales se les denomina: »
Falla individual (FI)
Falla en fila (FF) » Falla de todo el grupo (FG) En todos los casos la falla ocurre por el camino de menor resistencia, como normalmente ocurre en todo tipo de falla. »
Falla de un grupo de pilotes
Individual
En fila
Todo el grupo
Falla de un grupo de pilotes
Falla individual
Falla como bloque
Falla individual En
el caso de Falla Individual FI, el suelo comprendido dentro del grupo de pilotes no forma parte de la masa de suelo que se desplaza, sino que cada pilote individual se desplaza con respecto al suelo que lo rodea. Esta situación ocurre cuando la suma de las capacidades de carga de los pilotes considerados individualmente es menor que la capacidad de carga del grupo de pilotes considerado como un bloque.
Falla individual En este caso la capacidad de carga del grupo está
dada por la expresión:
Qdg FI
nQdi
Dónde: Qdg FI Capacidad de carga del grupo por falla individual n Número de pilotes del grupo Qdi Capacidad de carga del pilote aislado
Falla en fila El caso de la falla en fila FF , corresponde al caso
en que la masa de suelo comprendida dentro del grupo de pilotes que forman una fila se desplaza junto con los pilotes en el momento de la falla. Para calcular la capacidad de carga de un grupo de pilotes considerado como una fila, se aplica la fórmula estática, considerando los pilotes de una fila y el suelo comprendido dentro de ella como si fuese un bloque cimentado a la profundidad de la punta de los pilotes.
Falla en fila En este caso la capacidad de carga del grupo está dada por
la expresión:
Qdg FF N * qd AF
s A s
LF
Dónde: Qdg FF Capacidad de carga del grupo por falla en fila N Número de filas Capacidad de carga (unitaria) del suelo bajo el grupo qd de pilotes. Sección transversal de la fila de pilotes AF ss Fricción lateral en la superficie lateral de la fila de pilotes. ALF Área lateral de la fila de pilotes.
Falla de todo el grupo El caso de la falla de todo el grupo FG,
corresponde al caso en que la masa de suelo comprendida dentro del grupo se desplaza junto con los pilotes en el momento de la falla. Para calcular la capacidad de carga de un grupo de pilotes considerado como un bloque, se aplica la fórmula estática, considerando todo el grupo y el suelo comprendido dentro de él como si fuese un bloque cimentado a la profundidad de la punta de los pilotes.
Falla de todo el grupo En este caso la capacidad de carga del grupo está
dada por la expresión:
Qdg FG qd AG ss ALG Dónde: Qdg FG Capacidad de carga del grupo por falla en bloque qd Capacidad de carga (unitaria) del suelo bajo el grupo de pilotes. AG Sección transversal del grupo de pilotes. ss Fricción lateral en la superficie lateral del grupo de pilotes. ALG Área lateral del grupo de pilotes.
Capacidad de carga del grupo Una vez calculados Qdg FI, Qdg FF y Qdg FG, se
comparan estos valores; el menor de los tres es la capacidad de carga del grupo de pilotes Qdg. Independientemente de lo anterior, si se tiene pilotes de punta apoyados sobre un estrato resistente de poco espesor, debajo del cual se tiene suelo menos resistente, se debe analizar la capacidad de carga por punzonamiento en dicho suelo.
Falla por punzonamiento
Falla de todo el grupo Sólo puede ocurrir que Qdg FG
< Qdg FI para pilotes de fricción en arcilla. En este caso se deben calcular ambos valores y tomar el menor Para pilotes de fricción en arena y pilotes de punta, siempre se obtiene Qdg FG > Qdg FI. En consecuencia, en estos casos es innecesario hacer el cálculo de Qdg FG, siendo suficiente trabajar con Qdg FI Los casos de falla por fila son poco frecuentes.
Cimentaciones profundas 3. Grupo de pilotes
4. FACTOR DE GRUPO
Factor de grupo En la forma en que ha
sido presentada la capacidad de carga de un grupo de pilotes, resulta innecesaria la utilización del factor de grupo de pilotes. Sin embargo, debido a que este factor se menciona frecuentemente en la bibliografía, se presenta a continuación su definición y algunas consideraciones al respecto.
Factor de grupo Se denomina factor de grupo, a la relación entre
la capacidad de carga del grupo de pilotes para el caso de falla como bloque o fila entre la suma de las capacidades de cargas de los pilotes aislados, es decir:
F
Qdg FG nQdi
Qdg FG Qdg FI
( F 1)
También se puede plantear para la fila
Factor de grupo La utilización clásica del factor de grupo
encontrada en la bibliografía, es como un factor de reducción de la suma de las capacidades de carga de los pilotes aislados, es decir : Qdg FG
F * ( nQdi )
El concepto de factor de grupo solamente debe
utilizarse en el caso de grupos de pilotes de fricción en arcilla, ya que en los demás casos el factor resultaría mayor que 1.
Cimentaciones profundas
4. FRICCIÓN NEGATIVA
Fricción negativa Frecuentemente
se utilizan pilotes en lugares donde se coloca relleno artificial sobre la superficie del terreno. Cuando se trata de pilotes de punta que atraviesan un estrato de suelo compresible, sobre el cual se ha colocado el relleno, el incremento de peso debido al relleno ocasiona la consolidación del estrato compresible y su asentamiento, con el consiguiente desplazamiento relativo hacia abajo del suelo con respecto al pilote. También se produce cuando el pilote atraviesa un suelo orgánico con o sin la presencia de un relleno sobre el suelo.
Fricción negativa
Fricción negativa Este
desplazamiento relativo suelo-pilote produce una fricción que incrementa la carga que actúa en el pilote y se le denomina fricción negativa. El cálculo de la magnitud de la fricción negativa es complejo y depende de los siguientes factores: el desplazamiento relativo entre el relleno y el pilote; » el desplazamiento relativo entre los suelos compresibles y el pilote; » la compresión elástica del pilote bajo la carga de trabajo transmitida por la estructura; » la velocidad de consolidación de las capas compresibles. »
Fricción negativa La fricción negativa se calcula por las fórmulas
estáticas, considerando únicamente en ellas la fricción lateral suelo-pilote, en este caso actuando hacia abajo. FN i
s
s
FN nFN i ´
Al
Fricción negativa Sin embargo, el valor de
la fricción lateral así calculado realmente representa el máximo de fricción negativa que podría llegar a actuar, mas no el valor de la fricción realmente movilizada, la que puede depender del peso del suelo entre los pilotes en la zona de fricción negativa.
FN La
´´
W entre pilotes
fricción negativa FN es la menor entre FN’ y
FN”
Factor de seguridad del pilote individual Se define factor de seguridad del
pilote actuando individualmente al cociente entre la capacidad de carga individual del pilote y suma de la carga vertical dividida entre el numero de pilotes mas la fricción negativa, es decir:
FS i
Qdi QV n
FN i
2
FS del grupo actuando individualmente Se define factor de seguridad de un grupo de
pilotes actuando individualmente al cociente entre la suma de la capacidades de carga individuales de los pilotes y suma de la carga vertical y la fricción negativa, es decir:
FS g FI
Qdg FI QV FN
3
FS del grupo actuando como grupo Se define factor de seguridad de un grupo de
pilotes actuando en bloque al cociente entre la capacidad de carga del grupo como bloque y la suma de la carga vertical con la fricción negativa, es decir:
FS g FG
Qdg FG QV FN
3
Cimentaciones profundas
5. ASENTAMIENTOS Y DEFORMACIONES
Asentamientos De manera similar que en cimentaciones
superficiales, el procedimiento general consiste en estimar primero el asentamiento tolerable por la estructura y luego calcular el asentamiento del pilote o de los grupos de pilotes, según corresponda, y compararlos. Para que el diseño sea satisfactorio desde el punto de vista de los asentamientos, es necesario que el asentamiento estimado resulte menor que el asentamiento tolerable por la estructura.
Cimentaciones profundas 5. Asentamientos y deformaciones
1. ASENTAMIENTO ADMISIBLE
Asentamiento admisible Los pilotes transfieren las cargas a estratos de suelos
relativamente profundos.
La penetración es registrada mediante los diagramas de hinca, que equivalen a sondeos que miden indirectamente la resistencia de los suelos que atraviesan. » Entonces, normalmente, el asentamiento diferencial para una cimentación profunda es menor que el de una cimentación superficial. »
Por lo anterior, normalmente para las cimentaciones
profundas se considera que el asentamiento tolerable es igual al doble del que correspondería a la misma estructura cimentada superficialmente.
Cimentaciones profundas Cimentaciones 5. Asentamientos y deformaciones
2. ASENTAMIENTO DE UN PILOTE AISLADO
Asentamiento del pilote aislado El asentamiento de un pilote aislado se puede calcular por la expr expresión: esión: 0
E
P s
Dónde: asentamiento del pilote aislado 0 E asentamiento por la deformación elástica del pilote P asentamiento asentamient o de la punta del pilote causado por la carga transmitida en la punta s asentamiento asentamient o de la punta del pilote causado por la carga transmitida por fricción.
Asentamiento por la deformación axial E
(QP
s
Qs )
L EA
Dónde: QP parte de la carga de trabajo transmitida por la punta Qs parte de la carga de trabajo del pilote transmitida por fricción s coeficiente que depende de la forma de la distribución de la fricción fricció n lateral en la profundidad profundidad del pilote L longitud del pilote A sección transversal transversal del pilote E módulo de elasticidad del pilote
Valores de s Forma de distribución de la fricción lateral Uniforme o parabólica Triangular variando de cero en la cabeza del pilote hasta un máximo en la punta (suelo granular) Triangular variando de un máximo en la cabeza del pilote hasta cero en la punta.
Coeficiente 0.50 0.67
0.33
s
Asentamiento por la carga en la punta P
C P QP bqd
Dónde: C P coeficiente empírico que depende del tipo de suelo y del método de construcción del pilote b diámetro o ancho del pilote qd capacidad de carga del suelo bajo la punta del pilote (fórmula estática).
Valores de C P Tipo de Suelo
Pilotes Hincados
Pilotes Perforados
Arena (densa a suelta) Arcilla (compacta a blanda) Limo (denso a suelto)
0.02 a 0.04 0.02 a 0.03 0.03 a 0.05
0.09 a 0.18 0.03 a 0.06 0.09 a 0.12
Estos valores asumen que el suelo continúa por debajo de la punta del pilote un espesor igual a por lo menos 10 diámetros del pilote y que dicho suelo es de rigidez similar o mayor que el ubicado sobre él.
Asentamiento por la fricción s
C s Qs dqd
d C s 0.93 0.16 C P b Dónde: d longitud enterrada de pilote
Cimentaciones profundas 5. Asentamientos y deformaciones
3. ASENTAMIENTO DE UN GRUPO DE PILOTES
Suelo granular: fórmula de Vesic (1977) g
0
B´´ b
Dónde: g asentamiento del grupo de pilotes 0 asentamiento del pilote aislado, estimado a partir de los cálculos descritos, o determinado mediante pruebas de carga. B” la menor dimensión del grupo de pilotes b ancho o diámetro del pilote aislado.
