Pilotaje

PILOTAJE INTRODUCCION Debajo del lugar escogido para construir un hospital de 20 pisos se encontraba un deposito aluvial reciente de mas de 30 m de espesor. La formación era, predominantemente, arcilla compresible blanda; sin embargo, había dentro de la arcilla algunos estratos de arena entre firme y compacta; uno de ellos a unos 12 m por debajo de la superficie del terreno, tenia 3 m de espesor. Debido a que la arcilla blanda no tenia suficiente capacidad de carga para una cimentación por superficie se decidió soportar la estructura en pilotes. Se hincaron pilotes en varios puntos del lugar y ninguno pudo penetrar a mas de 14 m de la superficie del terreno. Algunos de los pilotes fueron sometidos a ensayos de carga y en ningún caso el asentamiento fue mayor de un centímetro cuando se llegaba a la carga por pilotes del proyecto, que era de 27.3 toneladas métricas. Basándose en el resultado de estos ensayos se proyectó la cimentación de la estructura, empleándose mas de 10000 pilotes, cuyas puntas se introducían en el estrato de arena compacta. Al año de haberse terminado la construcción ya el edificio se había asentado, tomando la depresión la forma de una superficie cóncava hacia arriba con un máximo en el centro de cerca de 30 cm con respecto al nivel original. Al cabo de 20 años la depresión ya tenía un diámetro de mas de 120 m y cerca de 90 cm de profundidad en el centro. Fue necesario hacer grandes reparaciones para mantener el edificio en servicio. Actualmente el movimiento aumenta lentamente al ritmo de la compresión secundaria y aunque ahora solo pequeñas reparaciones son necesarias, el movimiento continuará indefinidamente. 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 esta sea la decisión que a menudo se toma, como fue el caso de la cimentación del hospital, pues la cimentación profunda debe analizarse de la misma manera que la que es poco profunda. Como la cimentación superficial, también la cimentación profunda, incluyendo los estratos de suelo o roca situados debajo, deben ofrecer seguridad y no asentarse excesivamente por efecto de las cargas de la estructura que soportan. Hay dos formas de cimentaciones profundas generalmente aceptadas: pilotes y pilares. 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 1.50m de diámetro, por lo general sus diámetros son inferiores a 60 cms. Los pilares son de mayor diámetro y se construyen excavando y, por lo general, permiten una inspección ocular del suelo o roca donde se apoyaran. Los pilares son en realidad cimentaciones por superficie o sobre placa a gran profundidad. No se puede hacer una distinción precisa entre pilotes y pilares, porque hay cimentaciones que combinan las características de ambas. 1.DESARROLLO Y USO DE LOS PILOTES Los pilotes son anteriores a la historia que conocemos. Hace 12000 anos los habitantes neolíticos de Suiza hincaron postes de madera en los blandos fondos de lagos poco profundos para construir sus casas sobre ellos y a alturas suficiente para protegerlos de los animales que melodeaban y de los guerreros vecinos. Estructuras similares están actualmente en uso en las junglas del sudeste de Asia y de la América del Sur. Venecia fue construidas sobre pilotes de madera en el delta pantanoso del río Po, para proteger a los primeros italianos de los invasores del este de Europa y, al mismo tiempo, para estar cerca del mar y de sus fuentes de subsistencia. Los descubridores españoles dieron a Venezuela ese nombre, que significa pequeña Venecia, porque los indios vivían en chozas construidas sobre pilotes en las lagunas que rodean las costas del lago Maracaibo. En la actualidad las cimentaciones de pilotes tienen el mismo propósito: hacer posible las construcciones de casas y mantener industrias y comercios en lugares donde las condiciones del suelo no son favorables. Uso de los pilotes. Los pilotes se usan de muchas maneras. Los pilotes de carga que soportan las cimentaciones son los más comunes. Estos pilotes transmiten la carga de la estructura a través de estratos blandos a suelos más fuertes e incompresibles o a la roca que se encuentre debajo o distribuyen la carga a través de los estratos blandos que no son capaces de resistir la concentración de la carga de un cimiento poco profundo. Los pilotes de carga se usan cuando hay peligro de que los estratos superiores del suelo puedan ser socavados por la acción de las corrientes o las olas o en los muelles y puentes que se construyen en el agua. Los pilotes de tracción se usan para resistir fuerzas hacia arriba, como en las estructuras sometidas a subpresion, tales son los edificios cuyos basamentos están situados por debajo del nivel freatico, las obras de protección de presas o los tanques sorterrados. También se emplean para resistir el vuelco en muros y presas y como anclaje de los cables que sirven de contravientos en las torres o retenidas en los muros anclados y en las torres. Los pilotes cargados lateralmente soportan las cargas aplicadas perpendicularmente al eje del pilote y se usan en cimentaciones sometidas a fuerzas horizontales, como son los muros de sostenimiento de tierras, los puentes, las presas y los muelles y como defensas y duques de alba en las obras de los puertos. Si las cargas laterales son grandes, los pilotes inclinados pueden resistirlas mas eficazmente. Estos son pilotes que se hincan con un cierto ángulo. Frecuentemente se usa una combinación de pilotes verticales e inclinados, como en la figura. Los pilotes se usan algunas veces para compactar el suelo o como drenes verticales en estratos de baja permeabilidad. Los pilotes colocados muy próximos unos de otros y las tablescas anchas y delgadas unidas entre si, se usan como muros de sostenimiento de tierras, presas temporales o mamparos contra filtraciones. 2.HINCA DE PILOTESLa operación de introducir el pilote en el terreno se llama hinca del pilote. Como muchas otras operaciones que se realizan en las construcciones, la hinca de pilotes es un arte, cuyo éxito depende de la habilidad e ingeniosidad de los que la realizan; sin embargo, también como en muchos otros trabajos de construcción se depende cada vez mas de la ciencia de la ingeniería para hacerlos más eficaces. Aun más importante que el arte y la ingeniería mecánica envueltos en la construcción, resultan otros factores que aseguran el buen funcionamiento de la cimentación de pilotaje una vez terminada. Por lo tanto, el ingeniero que proyecta la cimentación debe finalmente intervenir en la construcción y el ingeniero constructor en el proyecto. El método más antiguo y uno de los mas ampliamente usados actualmente es por medio de una maza. Los constructores orientales usaron durante centurias un bloque de piedra como maza; un grupo de obreros dispuestos en forma de estrella alrededor de la cabeza del pilote levantaban la piedra por medio de cuerdas que mantenían tirantes; por un movimiento rítmico de estirar y aflojar las cuerdas levantaban la piedra en el aire y guiaban el golpe hacia abajo, sobre la cabeza del pilote. Los romanos usaban un bloque de piedra que elevaban por medio de una cabria en forma de A, utilizando la energía de esclavos o caballos y guiaban su caída por medio de postes verticales. Equipos para la hinca de pilotes o martinetes. Aunque la simple armadura en forma de A que empleaban los romanos para la hinca de pilotes todavía se usa actualmente (con energía mecánica), la maquina mas comúnmente usada es esencialmente, una grúa montada sobre esteras. Unidas a la pluma de la grúa están las guías: dos canales de acero unidas entre si por medio de separadores en U y arriostradas por diagonales. Estas canales sirven de guía al martillo o maza que tienen unas aletas que le permiten resbalar entre las canales de la guía. Las guías están aseguradas a la grúa por un tirante que generalmente es ajustable, lo cual permite la inca de pilotes inclinados. Para los martillos de vapor se necesita una caldera de vapor o un compresor de aire. El pilote se coloca entre las guías y debajo del martillo. A veces se coloca ente las guías, preferiblemente, piezas que pueden deslizarse y sirven para soportar lateralmente el pilote a la mitad o a las cuartas partes de su longitud. Algunos equipos grandes se montan en una base de vigas I que se apoyan en una armazón de acero y emparrillado de madera. Estos equipos sé translada haciéndolos resbalar sobre vigas o rodillos. Para trabajos de carreteras se usan equipos de grúas instaladas en vehículos con llantas de goma y para trabajos dentro de los edificios se han usado hasta martillos montados en camiones con horquilla para elevar pesas. Algunas veces estos equipos o martinetes se montan en barcazas para trabajos marinos o en carros de ferrocarril para trabajos en la vías. Cuando no hay espacio suficiente para una guía suelen usarse guías oscilantes que cuelgan de cables. La característica más importante de un equipo para la hinca de pilotes, desde el punto de vista del ingeniero, es su capacidad para guiar el pilote exactamente. Debe ser lo suficientemente fuerte y rígido para mantener el pilote y el martillo en su posición y con la inclinación fijada, a pesar del viento, las obstrucciones bajo el terreno y el movimiento del martillo. Figura: Martinete hidráulico Martillos o mazas para la inca de pilotes. El martillo mas simple es la maza, que consiste en un bloque de acero fundido que pesa de 250 a 1,000 kilogramos. Se eleva por medio de un torno de 1.50 a 3.00 m sobre la cabeza del pilote y luego se deja caer. La hinca de pilotes con maza es simple, pero muy lenta y se usa solamente en pequeños trabajos en los que el constructor tiene que improvisar su equipo o cuando no esta justificado el costo del traslado de equipos pesados. El martillo de vapor de simple efecto se compone de un pesado bloque de acero fundido, que es la maza, un pistón y un cilindro. Se introduce vapor o aire comprimido en el cilindro para levantar la maza 60 a 90 cm, y luego se le da salida al vapor para que la maza caiga sobre la cabeza del pilote. Estos martillos son simples y fuertes y golpean a baja velocidad, con energía relativamente constante a pesar del desgaste, los ajustes y las pequeñas variaciones en la presión del vapor. Sus características se dan en la tabla 1. En los martillos de doble efecto o diferenciales se emplean el vapor o el aire comprimido para levantar la maza y para acelerar la caída. Los golpes son más rápidos, de 95 a 240 por minuto, con lo cual se reduce el tiempo necesario para la hinca del pilote hasta se hace esta más fácil en arena suelta. El martillo puede perder parte de su eficiencia con el desgaste o el ajuste deficiente de la válvula. La energía que se desarrolla en cada golpe varia grandemente con la presión del vapor o del aire y se necesita una inspección cuidadosa para estar seguros de que dicha presión es la especificada y constante. Si él numero de golpes por minuto es aproximadamente el especificado, como se da en la tabla 1, la presión del vapor es probablemente correcta. Los martillos de vapor pueden operar con vapor o con aire comprimido; la operación con vapor es más eficiente, especialmente si se emplean generadores de vapor circulante. Si el martillo va a operar bajo el agua, lo cual se puede hacer con el de doble efecto de tipo cerrado, se necesita suministrar aire. Los martillos Diesel para la hinca de pilotes se encuentran en el mercado en tamaños cada vez mayores. El martillo Diesel se compone de un cilindro de fondo macizo y una mazapiston encerrada en el mismo. Al comenzar la hinca la maza se levanta mecánicamente y luego se deja caer. El combustible se inyecta dentro del cilindro cuando cae la maza, produciéndose la ignición por el calor del aire comprimido por la maza. El impacto y la explosión fuerzan al cilindro hacia abajo contra el pilote y a la maza hacia arriba, para repetir el ciclo automáticamente. Las mayores ventajas del martillo Diesel son: que lleva consigo la fuente de energía, es económico y se opera fácilmente. La energía por golpe es alta en relación con el peso del martillo, pero esta se desarrolla por la alta velocidad de los golpes de una maza de peso mediano. La mayor desventaja estriba en que la energía por golpe varia con la resistencia que ofrece el pilote y es extremadamente difícil valorarla en la obra. En algunos tipos de martillo Diesel la distancia del recorrido de la masa puede observar visualmente y calcular la energía, aproximadamente, por el producto del recorrido y el peso de la maza. En otros martillos se puede estimar la energía por la presión del aire generada en una cámara de rechazo situada sobre el martillo. Debido a que la energía es variable, el martillo Diesel es el que mejor se adapta a los casos en que el control de la energía no es critico, o donde este pueda se vigilado de cerca en los momentos críticos. Un martillo de doble efecto movido por presión hidráulica es algo más rápido y ligero que el equivalente de vapor, porque la presión con que funciona es mucho mayor. El sistema compacto de la bomba hidráulica es más fácil de trasladar que el voluminoso compresor de aire o la caldera de vapor; sin embargo, las altas presiones llevan aparejados problemas mecánicos más difíciles. El martillo ligero de doble efecto, producirá la misma energía en kilogrametros en el instante en que la maza hace contacto con la cabeza del pilote, que un martillo pesado de vapor simple efecto cayendo de 0.75 a 0.90 m de altura. Sin embargo, los efectos de los dos golpes son diferentes, debido a la gran diferencia de velocidades que tienen las mazas en el instante del golpe. Considérese la hinca de un clavo de vía usando primero un martillo para tachuelas dejándola caer de pocos centímetros de altura, de manera que se produzca la misma cantidad de energía que en el caso anterior. Los golpes lentos y pesados hincan el clavo, mientras que el martillo para tachuelas rebotaría. La misma diferencia de efectos se puede observar en la hinca de pilotes. La experiencia demuestra que el peso de maza debe estar entre un tercio y dos veces el peso del pilote. En la mayoría de los martillos par hinca de pilotes es necesario usar sombreretes. Protectores para distribuir la fuerza del golpe del martillo en la cabeza del pilote. El sombrerete se hace de acero fundido y contiene en su interior un bloque renovable de madera, fibra o un metal laminado y goma o un cojín plástico y contra él golpea el martillo. Los sombreretes para la hinca de pilotes de hormigón armado pueden estar provistos además de un cojín de madera que se coloca entre el propio sombrerete y la cabeza del pilote. Figura: Hincado de Pilotes usando martillo Comportamiento Del Pilote Durante La HincaLa hinca de pilotes es una operación fascinante que siempre atrae multitud de espectadores. Las nubes de vapor y el continuo martillar les hace detenerse, pero en general, no advierten lo que requiere mas atención del ingeniero: el comportamiento del pilote durante la hinca. En suelos muy blandos los primeros golpes del martillo pueden hincar el pilote varios metros; de hecho el pilote puede introducirse en el terreno bajo el peso del martillo solamente; sin embargo en los suelos duros cada golpe del martillo esta acompañado por una deformación del pilote y la consiguiente perdida de energía. Si se sostiene un pedazo de tiza contra el pilote y se mueve uniformemente en dirección horizontal a medida que se hinca el pilote, se quedara trazado en el pilote un gráfico que representa el movimiento vertical del pilote con respecto al tiempo. El golpe del martillo produce inicialmente un movimiento del pilote hacia abajo, pero este es seguido por un rebote que representa la compresión elástica temporal del pilote y del suelo que lo circunda. El movimiento neto del pilote en el suelo por el efecto de un golpe del martillo. La penetración promedio para varios golpes se puede hallar de la resistencia a la hinca, que es él numero de golpes necesario para hincar el pilote una distancia determinada, generalmente 2.5, 15 o 30 cm. Cuando el pilote es muy largo y la hinca difícil, el comportamiento del pilote es más complejo, En el momento del impacto la parte superior del pilote se mueve hacia abajo; la parte inmediatamente debajo se comprime elásticamente y la punta del pilote permanece momentáneamente fija. La zona de compresión se mueve rápidamente hacia abajo y alcanza la punta del pilote una fracción de segundo después de producirse el impacto. Como resultado de esta onda de compresión, la totalidad del pilote no se mueve hacia abajo en un instante, sino que lo hace en segmentos más cortos. Otros Métodos De Hinca De PilotesEn los suelos no cohesivos se puede usar el chiflón de agua para hincar hasta su posición final pilotes cortos con cargas ligeras y para ayudar la hinca de pilotes largos con cargas pesadas. El chorro se produce inyectando agua con una presión de 10 a 20 Kg. por cm2 por un tubo de 3.8 a 5.0 cm de diámetro, que tiene una boquilla de mitad del mismo. El chorro de agua se puede usar para abrir un hueco en la arena antes de proceder a la hinca o se puede fijar el tubo o un par de tubos, a los lados del pilote (o dejarlo embebido en el pilote de concreto) de manera que la acción del chorro de agua y la hinca sean simultaneas. Como el chorro de agua afloja el suelo, corrientemente se interrumpe antes que el pilote alcance su posición final y los últimos decímetros de la penetración se hacen con el martillo solamente. Si se usa demasiada agua el chorro puede aflojar los pilotes que se hayan hincado previamente. El chiflón de agua beneficia grandemente la hinca en arena compacta, pero su ayuda es pequeña en arcillas. Cuando el pilote deba atravesar capas superiores de arcillas compacta o roca blanda para alcanzar el estrato de substanciación, se puede ahorrar tiempo y dinero haciendo una perforación previa. Si el suelo es seco esta perforación se hace con una barrera y se deja caer el pilote dentro del agujero abierto. Si el suelo se mantiene continuamente firme, se puede fabricar un pilote de concreto en el agujero para formar un pilote de colado in situ (que se estudiara posteriormente). Si el suelo contiene vetas blandas, se puede hacer el agujero con una barrera rotatoria y se mantiene abierto rellenándolo con una pasta blanda de suelo y agua. El pilote se hinca a trabes de esa pasta hasta el estrato firme situado debajo. El punzonado es la hinca en el suelo de un pesado perfil de acero laminado, para horadar las obstrucciones o romper las vetas duras que puedan dañar y hasta impedir la penetración de pilotes pequeños. El perfil de acero que se haya empleado como punzón se sacara antes de hincar el pilote. Se emplean los gatos para hincar pilotes cuando no se permiten las vibraciones del martillado o cuando no hay espacio suficiente para usar martillos. Se usan principalmente en obras de recalce de cimentaciones, donde el pilote, en pequeñas secciones, se hinca por medio de gatos, usando el peso de la propia estructura como reacción. Los vibradores son efectivos, según se ha comprobado en la hinca de pilotes de suelos limosos y arenosos. Los vibradores consisten en un par de pesos que giran en dirección contraria, orientados de manera que produzcan movimientos hacia arriba y hacia abajo. Se han usado vibradores con velocidades de 735 a 2500 revoluciones por minuto y que pesan de 12000 a 14000 kg. respectivamente. Un vibrador de 12000 Kg. movido por un motor eléctrico de 200 caballos de vapor desarrolla una fuerza dinámica de cerca de 159100 kg. Un pequeño vibrador de 100 caballos de vapor proyectado para la hinca y extracción de tablescas pesa 5000 kg. y desarrolla una potencia de 7466 kgm por minuto, a una velocidad de 700 a 1000 revoluciones por minuto. Se han empleado vibradores gigantes en pares sincronizados para hincar pilotes de 1.20 m de diámetro y hasta cajones más grandes. El vibrador sonico genera la vibración en resonancia con el pilote; de esta manera el impulso de la vibración esta en fase con la onda de compresión elástica que viaja hacia abajo en el pilote y la energía para vencer el rozamiento y la resistencia en la punta se usa mas eficientemente. Una maquina de hinca de combustión interna produce la frecuencia variable que se necesita para armonizar con la frecuencia natural del pilote como columna elástica. La velocidad de hinca es asombrosa en muchos casos y el ruido y las molestias de las sacudidas son menores que en la hinca con martillos de percusión. 3.CAPACIDAD RESISTENTE DEL PILOTELa capacidad de una cimentación de pilotaje para soportar cargas sin falla o asentamiento excesivo, depende de varios factores: la losa sobre los pilotes, el fuste del pilote, la transmisión de la carga que soporta el pilote al suelo, y el suelo y los estratos subyacentes de roca que finalmente soportan la carga. Él calculo y proyecto de la losa sobre los pilotes es esencialmente un problema estructural que se encuentra en los libros de textos para proyectos de hormigón armado; es raramente un problema critico o una causa de dificultades. En el análisis y proyecto del fuste del pilote intervienen tanto el suelo como el pilote. Corrientemente la capacidad del fuste del pilote obedece a necesidades constructivas y es mucho mayor que la necesaria para la carga máxima; pero puede ser critica en el caso de pilotes esbeltos con cargas pesadas o cuando se encuentran dificultades en la construcción. La transferencia de la carga del pilote al suelo es lo que se llama capacidad de carga del pilote y es frecuentemente causa de dificultades en las cimentaciones de pilotaje. La capacidad de los estratos inferiores para soportar la carga depende del efecto combinado de todos los pilotes actuando conjuntamente. Aunque la capacidad de los estratos inferiores rara vez recibe atención, es frecuentemente fuente de dificultades en las cimentaciones de pilotaje. Fuste Del Pilote. El fuste del pilote es una columna estructura que esta fija en la punta y generalmente empotrada en la cabeza. La estabilidad elástica del pilote y su resistencia al pandeo ha sido investigada teóricamente y por ensayos de carga. El pandeo de un pilote depende de su alineamiento, longitud, momento de inercia y modulo de elasticidad y de la resistencia elástica del suelo que lo circunda. Tanto la teoría como la practica demuestran que el soporte lateral del suelo es tan efectivo, que únicamente en pilotes extremadamente esbeltos hincados en arcillas muy blandas o en pilotes que se extiendan fuera del suelo, en el aire o en el agua, pueden producirse pandeo. Por lo tanto, los pilotes en arena o en arcilla blanda se proyecta, corrientemente, como si estuvieran arriostrados o fueran columnas cortas. Esto se ha comprobado por ensayos de carga en pilotes de 30 m de longitud en arcilla blanda en un lugar del Medio Oeste. Los pilotes de acero de sección H fallaron por arriba de la superficie del terreno cuando se alcanzo él limite elástico del acero y los de concreto por rotura por aplastamiento, cuando se alcanzo la resistencia a compresión del hormigón. Lo más importante a considerar como limitación de la capacidad del fuste de un pilote es la construcción defectuosa, especialmente la de las uniones de dos secciones del pilote; esto puede conducir a desviaciones de la parte inferior del pilote ya que se produzca un ángulo de la alineación del mismo (como la pata de un perro) y a una reducción de la sección transversal del pilote y una perdida de resistencias como columna corta. El estudio que se ha hecho de los pilotes en forma de \"
pata de perro\"
demuestra que su capacidad no se reduce materialmente, siempre que el suelo circundante sea firme. La reducción de resistencias del pilote como columna se pude evitar con un cuidadoso control de los procedimientos constructivos. Efectos Del Pilote En El Suelo La forma de distribución del esfuerzo, el asentamiento y capacidad máxima de una cimentación por pilotaje, depende del efecto del pilote en el suelo. El pilote, representado por un cilindro de longitud L y diámetro D, es una discontinuidad en la masa de suelo, que reemplaza el suelo, según sea instalado por excavación, como un pilar, o por hinca. La excavación altera el suelo cambiando la forma de distribución del esfuerzo; el suelo puede ser comprimido hacia adentro, desorganizándose la estructura de las arcillas y reduciéndose la compacidad de las arenas. Al forzar un pilote dentro del agujero o al colocar concreto fresco, puede que se fuerce parcialmente el suelo hacia afuera, originándose mas alteración. La hinca del pilote origina aun mayor alteración. La punta del pilote actúa como un pequeño cimiento con un cono de suelo que se forma debajo de ella que perfora hacia abajo forzando al suelo hacia los lados en sucesivas fallas de capacidad de carga. Alrededor del pilote se forma una zona de alteración o suelo reamasado que tiene un ancho de D a 2D. Si la hinca va acompañada por el chorro de agua o la perforación de un pequeño agujero, la zona de alteración es menor. Dentó de la zona de alteración se reduce la resistencia de cohesión de las arcillas saturadas y de los suelos cementados. En la mayoría de los suelos no cohesivos se aumenta la compacidad y el ángulo de fricción interna, sin embargo, en un suelo muy compacto pudiera haber una reducción en la compacidad en la zona inmediata al pilote, debido al esfuerzo cortante y a una ligera reducción local del ángulo de fricción interna. El desplazamiento producido por la hinca de los pilotes tiene dos efectos. Primero, se produce un levantamiento del terreno en los suelos de arcilla saturada y en los no cohesivos compactos. El levantamiento del terreno algunas veces empuja lateralmente 30 o 60 cms los pilotes hincados previamente o levanta la superficie del terreno una cantidad equivalente al volumen de suelo desplazado. Segundo, se establece una fuerte presión lateral en el suelo. Los limitados datos disponibles indican que la presión lateral total, en arcilla saturada, puede ser tanto como dos veces la presión vertical total de la sobrecarga de tierra y en las arenas la presión lateral efectiva puede ser desde la mitad a cuatro veces el esfuerzo vertical efectivo. En las arcillas saturadas hay indicaciones indirectas de presiones aun mayores, como son el colapso de ataguías y el aplastamiento de pilotes de tubo abierto de paredes delgadas o de camisas de acero y el empuje que reciben las estructuras situadas cerca de los pilotes que se están hincando. El aplastamiento de un pilote tubular, ocurrió en un grupo de 36 pilotes espaciados a 0.9 m, hincados en arcilla, en una construcción, rompió los cimientos por superficie y levanto 7.5 cm, un muro de un edificio contiguo. En las arcillas saturadas el aumento de presión es, en su mayor parte, esfuerzo neutro, que con el tiempo se disipa en el suelo circundante, lo que hace que la presión lateral caiga hacia su valor original, algo menor que la presión de la sobrecarga de tierra. La reducción del esfuerzo neutro en la arcilla esta acompañada por una recuperación de la resistencia, que en algunos casos excede finalmente la resistencia original del suelo no alterado. La hinca de pilotes con martillo produce choque y vibración que se transmite, a través del terreno, a las estructura contiguas. Esto puede molestar a los ocupantes y cuando es muy intenso causa danos físicos. Si el suelo es arena muy suelta, fina y saturada, las vibraciones pueden causar una licuefacción temporal de la misma, con la correspondiente perdida de capacidad de carga, produciéndose graves danos; aunque esto raramente ocurre. Es mas común que la superficie del terreno, a pesar del desplazamiento producido por los pilotes. El hundimiento se puede extender tanto como hasta 30 m de la estructura, según la longitud de los pilotes y la intensidad de la hinca. Esto causa asentamientos y danos en los edificios cercanos. Transferencia De La Carga Del PiloteEl pilote transfiere la carga al suelo de dos maneras. Primero, por la punta, en compresión, que se llama resistencia por la punta, y segundo, por esfuerzo cortante a lo largo de su superficie lateral, llamado comúnmente fricción lateral (aunque una verdadera fricción no se desarrolla en todos los casos). Los pilotes hincados a través de estratos débiles hasta que su punta descanse en un estrato duro, transfieren la mayor parte de su carga por la punta y algunas veces se les llama pilotes resistentes por la punta. En suelos homogéneos los pilotes transfieren la mayor parte de su carga por fricción lateral y se les llama pilotes de fricción o pilotes flotantes; sin embargo, la mayoría de los pilotes desarrollan ambas resistencias. Campo De Esfuerzos Alrededor Del Pilote. La zona de esfuerzo inicial alrededor de un pilote que se coloque perforando el suelo o por medio de chiflón de agua, esta probablemente muy cerca del estado de reposo; lo cual depende de la reducción del esfuerzo que acompañe a la compresión del suelo hacia el agujero y del aumento del mismo producido por el desplazamiento del suelo al colocarse el pilote. Al cargarse al pilote el campo de esfuerzos cambia, porque la carga del pilote se transfiere al suelo. El análisis de los esfuerzos producidos por una carga vertical que se ha introducido por debajo de la superficie de un sólido elástico, isótopo y semifinito, fue desarrollado por Mindlin. Es análogo el análisis de Boussinesq para cargas en la superficie. El incremento de esfuerzo vertical, , producido por una carga Q a la profundidad L, que es la longitud del pilote, esta dado por la expresión: = Q Ip (1) L2 Ip = f(z/L; x/L). (2)Por arriba de la punta del pilote, dentro de una zona cilíndrica cuyo radio es alrededor de la mitad de la longitud del pilote, la resistencia por la punta produce un incremento de esfuerzo negativo, o una reducción del esfuerzo vertical en la masa. Los esfuerzos radiales (en dirección lateral) son análogamente influidos por el esfuerzo vertical transferido al suelo por el pilote. Por arriba del punto de carga el esfuerzo radial se reduce y por debajo se aumenta. El efecto combinado de la resistencia por la punta y la fricción lateral en la zona de esfuerzo, depende de sus magnitudes relativas como también de la distribución lateral a lo largo del pilote. Del limitado numero de observaciones que se han hecho de pilotes en materiales homogéneos se deduce que, para longitudes de pilotes que excedan de 20 diámetros, la resistencia por la punta esta entre un cuarto y un tercio de la total; para pilotes mas cortos la parte de la resistencia total que toma la punta aumenta en proporción a la relación D/L. Si el suelo o la roca en la punta del pilote es más rígido que a lo largo del fuste, la resistencia por la punta será mayor. A medida que la carga se acerca a la de falla la proporción de la carga que se transfiere a la punta depende de la resistencia máxima o limite a fuerza cortante del suelo en la punta, comparada con la resistencia limite a esfuerzo cortante en fricción lateral. Esfuerzos En La Zona Adyacente Al Pilote El esfuerzo vertical en la zona inmediatamente adyacente a un pilote con perforación previa y descargado es rz. A medida que se aumenta la carga en el pilote, hay una reducción en el esfuerzo vertical inmediatamente adyacente en la parte inferior del pilote debido a que la carga es transferida a la punta. Aunque esto puede ser parcialmente compensado por el aumento en el esfuerzo vertical causado por la transferencia de carga por fricción lateral en la parte superior, el efecto neto en pilotes largos y esbeltos será una reducción de esfuerzo. Además, el hundimiento de la masa del suelo alrededor del pilote produce una reducción del esfuerzo vertical similar al que se produce en una zanja que se ha rellenado. Como resultado de esto, el esfuerzo vertical adyacente a un pilote cargado es menor que rz, por debajo de una profundidad critica Zc. Por debajo de la profundidad Zc el esfuerzo vertical inmediatamente adyacente a un pilote por perforación o hincado con chorro de agua, depende de la carga del pilote. En la falla, los ensayos indican que es aproximadamente a rZc; con cargas mas pequeñas es algo mas alto. En pilotes hincados (los cuales ya hay sufrido \"
fallas\"
sucesivas durante la hinca) la presión lateral por debajo de Zc esta aparentemente muy cerca de rz, cualquiera que sea la carga. Los ensayos a gran escala en los suelos hechos por Vesic en el Instituto Tecnológico de Georgia y por Kerisel en Francia, indican que la profundidad critica Zc es función de la compacidad relativa. Para Dr < 30%, Zc = 10D para Dr > 70%, Zc es aproximadamente proporcional a la compacidad relativa. La presión lateral del suelo contra la superficie del pilote se puede expresar por la ecuación: (2) El coeficiente de la expresión de la tierra, Ks, depende del desplazamiento del pilote y de la compacidad o compresibilidad del suelo. Para los pilotes colocados con chiflón de agua o con perforación previa el valor de Ks aumenta con la carga; el valor máximo se produce en la falla. Análisis Estático De La Capacidad De Carga De Un PiloteLa máxima capacidad de carga de un pilote o pilar es la suma de la resistencia por la punta y por la fricción lateral en el instante de la carga máxima: QO = QBB + QSF (3) Los valores máximos de QEBC y QSFC se pueden analizar separadamente. ambos están basados en el estado de los esfuerzos alrededor del pilote (o de cualquier cimentación profunda) y en la forma de distribución del esfuerzo cortante que se desarrolla al fallar. En el pilote resistente por la punta, esta se asemeja a una cimentación por superficie enterrada profundamente. Cuando se carga el pilote se forma un cono de suelo no alterado que se adhiere a la punta. Como la punta va penetrando mas profundamente conforme aumenta la carga, el cono fuerza el suelo hacia los lados cortando la masa a lo largo de una superficie curva. Si el suelo es blando, compresible o tiene un modulo de elasticidad bajo, la masa situada mas allá de la zona de esfuerzo cortante se comprime o deforma, permitiendo que el cono penetre mas. Esta es una forma de esfuerzo cortante local similar al descrito para las cimentaciones poco profundas. Si el suelo o la roca son muy rígidos, la zona de esfuerzo cortante se extiende hasta que el desplazamiento total permita al cono perforar el suelo hacia abajo. Se han propuesto varias formas para la zona de esfuerzo cortante para evaluar la resistencia por la punta. Igual que los resultados de los análisis de las cimentaciones poco profundas, estos se pueden expresar en la forma general siguiente: qo = Br Nr + cNc + q'Nq (3) 2 Para los pilotes en que B es pequeño, frecuentemente se omite el primer termino: qo = cNc + q'Nq (4) Aunque se ha deducido muchos factores diferentes de capacidad de carga para cimentaciones profundas, la variación de los que han sido verificados con alguna extensión, por ensayos en pilotes de tamaño natural, se representan en figuras. Las curvas inferiores son los factores de Meyerhof para cimentaciones poco profundas, corregidas para la forma circular o cuadrada. Las curvas superiores son para la falla general de esfuerzo cortante, adaptadas de las de Meyerhof y se requiere el desarrollo completo de la zona de esfuerzo cortante, lo que solamente puede ocurrir en un sólido rígido-plastico o en una arena compacta. Las curvas intermedias son adaptadas de los trabajos de Berezantzev; en arena estas curvas se ajustan a los resultados de los ensayos en modelos a escala grande y a tamaño natural en pilotes hincados. Es difícil precisar cual es el factor de capacidad de carga correcto que debe usarse en cada caso. Los factores para cimentaciones poco profundas se aplican a los pilotes resistentes por la punta o a los pilotes, cuando descansan en estratos duros, y sobre los cuales se encuentran formaciones débiles. También se aplican a los pilotes embebidos en arcillas blandas y arenas sueltas. Los factores mas altos se aplican solamente a las arcillas mas duras y a las arenas muy compactas, en las cuales la punta del pilote queda embebida a una profundidad de 10D. Los factores para condiciones intermedias entre estos limites, se pueden hallar por interpolación, pero con cautela. Los ensayos han demostrado, en muchos casos reales, que las curvas intermedias son aplicables. Si los pilotes son hincados en el suelo, el ángulo de fricción que debe usarse es el que se obtiene después de la hinca. Según Meyerhof, en las arenas se produce un aumento de 2 a 5 grados sobre el valor obtenido antes de la hinca. Si la colocación del pilote se hace con chiflón de agua o con perforación previa, el ángulo no cambia prácticamente. El valor apropiado de q' al nivel de la cimentación, depende de la longitud del pilote. q' = rz si z < zc (5a) q' = rzc si z > zc (5b) La fricción lateral que actúa a lo largo del fuste del pilote es igual a la suma de la fracción mas la adherencia en la superficie del pilote o a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo inmediatamente adyacente al pilote, cualquiera que sea menor. Si f es la fricción lateral: f = c' + 'h tan ' o (6a) f = ca + 'h tan donde ca es la adherencia y el angulo de rozamiento entre el suelo y la superficie del pilote. Los valores de ca y de tan se pueden determinar por una prueba directa de esfuerzo cortante, substituyendo una mitad de la caja del aparato para el ensayo por el material de la superficie del pilote. Los ensayos hechos con pilotes de tamaño natural indican los siguientes valores de ca son relación a los de c en arcillas saturadas, obtenidos en pruebas de esfuerzo cortante sin drenaje: ca = 0.9c c < 0.5 Kg/cm2 (6b) ca = 0.9 + 0.6(0.49c -1) c > 0.5 Kg/cm2 (6c) En estas expresiones c y ca están en Kg. / cm2. La mas baja proporción en el aumento de ca en suelos en los cuales c > 0.5 Kg/cm2, parece ser debido a un pequeño vacío que se forma alrededor del pilote durante la hinca y posiblemente a los esfuerzos de tracción que se producen alrededor del extremo superior del fuste del pilote durante la carga. Hay alguna evidencia de que ca aumenta lentamente con el tiempo hasta llegar a igualarse a c. Se han hecho correlaciones empíricas entre la resistencia por la punta y fricción lateral de pilotes en suelos no cohesivos y la resistencia a penetración media durante las exploraciones en el lugar. La resistencia por la punta determinada por el ensayo con el cono estático holandés, en arenas no cohesivas es, aproximadamente, igual a la resistencia por la punta de un pilote colocado en el mismo material. La fricción lateral en los pilotes de acero y de hormigo es aproximadamente, el doble de la determinada por el cono de fricción, para pilotes con L/D > 20. Cuando se hace la prueba estándar de penetración, N, Meyerhof sugiere lo siguiente: qo = 4N ( en Kg / cm2) (7a) fo = 0.02N ( en Kg / cm2) (7b) Inmediatamente después de la hinca, la resistencia del suelo (y la adherencia) corresponden a la condición de reamasado. Después de que un suelo de arcilla ha tenido la oportunidad de reconsolidarse y, en algunos casos, endurecerse tixotropicamente, la adherencia y la resistencia del suelo inmediatamente adyacente al pilote aumenta y hasta puede exceder la resistencia original del suelo. Los pilotes extraídos de suelo arcilloso, frecuentemente están cubiertos con una capa de suelo de varios centímetros de espesor que esta adherida firmemente a la superficie del pilote. La capacidad total de carga de un pilote es nominalmente, la suma de la resistencia por la punta que se ha movilizado y el producto de la fricción unitaria lateral movilizada por el área de la superficie lateral del pilote. Sin embargo, la carga máxima o de falla, Qo, no es necesariamente igual a la suma de la resistencia máxima por la punta y la fricción lateral máxima. Primero, porque puede que no se movilicen simultáneamente las resistencias por la punta y por fricción lateral en las diferentes secciones del fuste del pilote. Considérese un pilote cuyo fuste este en un suelo débil, no rígido, pero cuya punta descanse en un estrato rígido. Un movimiento relativamente pequeño del pilote, hacia abajo, seria suficiente para producir la falla por capacidad de carga, mientras que el mismo movimiento no seria lo suficientemente grande para producir la falla por fricción lateral; por consiguiente, solo una parte de la fricción lateral se habría movilizado en el instante de la falla. La reflexión del fuste del pilote por efecto de la carga (que es máxima en la superficie del terreno, pero menor en la punta), la diferente rigidez de los distintos estratos en contacto con el pilote y la compresión del suelo debajo de la punta del pilote, también contribuyen a una movilización desigual de la resistencia por la punta y de la fricción lateral. El resultado final es que la verdadera capacidad de carga del pilote puede ser notablemente menor que la suma de los valores máximos. Esta diferencia se agrava en los suelos ultra susceptibles, donde la falla produce una perdida de resistencia. Por estas razones la fricción lateral de los estratos débiles generalmente se desprecia en los cálculos. El pilote hincado tiene, generalmente, una capacidad de carga máxima mayor que la del pilote colocado con excavación previa o con chiflón de agua, porque los valores máximos, tanto el de resistencia por la punta como el de fricción, se alcanzan durante la hinca. Una segunda causa de la diferencia entre la capacidad de carga calculada y la real de los pilotes, proviene de la fricción negativa. Los esfuerzos que se desarrollan en el suelo por el pilote y por cualquier carga superficial, como el relleno, no soportada directamente por los pilotes, hace que el suelo no consolide. Si hay algún estrato muy compresible a algún nivel por arriba de la punta del pilote, la consolidación hará que el suelo de arriba se mueva hacia abajo con respecto al pilote. Esto estratos en vez de soportar el pilote, debido a su movimiento descendente, añaden carga al pilote. Esta fricción negativa ha sido tan grande en algunos casos, que ha producido la falla de la cimentación por pilotaje y debe por lo tanto, considerarse en el proyecto. Prueba De CargaEl método mas seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayoría de los lugares, es la prueba de carga. Los ensayos de carga se hacen para determinar la carga máxima de falla de un pilote o grupo de pilotes o para determinar si un pilote o grupo de pilotes es capaz de soportar una carga sin asentamiento excesivo o continuo. La capacidad de carga en todos los pilotes, excepto los hincados hasta la roca, no alcanza su valor máximo hasta después de un periodo de reposo. Los resultados de los ensayos de carga no son una buena indicación del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan después de un periodo de ajustes. En el caso de pilotes hincados en suelo permeable este periodo es de dos o tres días, pero para pilotes rodeados total o parcialmente por limo o arcilla, puede ser de mas de un mes. Los ensayos de carga se pueden hacer construyendo una plataforma o cajón en la cabeza del pilote o grupo de pilotes, en la cual se coloca la carga, que puede ser arena, hierro, bloques de concreto o agua. Para hacer un ensayo mas seguro y más fácilmente controlable, se usan, para aplicar la carga, gatos hidráulicos de gran capacidad cuidadosamente calibrados. La reacción del gato será tomada por una plataforma cargada o por una viga conectada a pilotes que trabajaran a tracción. Una ventaja adicional del uso de gatos es que la carga sobre el pilote se puede variar rápidamente a bajos costos. Los asentamientos se miden con un nivel de precisión o, preferiblemente, con un micrómetro montado en un soporte independiente. FigurasEsquema de CargaFoto de la prueba llevándose a cabo Las cargas se aplican en incrementos que sean un quinto o un cuarto de la carga del pilote que se haya fijado para el proyecto, hasta que se produzca la falla o se alcance una carga igual a dos veces la fijada para el proyecto; la carga se reduce después a cero, por decrementos. Cada asentamiento a intervalos regulares, hasta que su velocidad sea menor que 0.013 mm por hora. Posteriormente se dibuja la curva de asentamientos finales-carga, similar a la de la prueba de carga en placa. Se ha propuesto muchos criterios diferentes para fijar la carga admisible o de trabajo, pero el mejor es el mismo que se emplea para cualquier otro tipo de cimentación: la carga con un factor de seguridad adecuado (1.5 a 2 cuando se ha hecho ensayo de carga) o la carga que produce el mayor asentamiento total permisible, cualquiera que sea menor. Asentamiento De Un Solo PiloteEl asentamiento de un pilote aislado proviene del acortamiento elástico del fuste del pilote y, en parte, de la distorsión del suelo alrededor del pilote. Como mejor se determinan estos efectos es por el ensayo de carga. El asentamiento se puede determinar por un análisis estático de la resistencia del pilote, calculando el acortamiento elástico de cada sección del fuste del pilote, teniendo en cuenta la porción de la carga total que queda en esa sección. El mayor asentamiento en todos los pilotes, excepto los que se apoyan en roca, proviene de la consolidación del suelo subyacente por los esfuerzos que desarrolla el grupo de pilotes. Pilotes En TracciónLos pilotes en tracción se pueden analizar por el método estático (sin considerar la resistencia por la punta) o por pruebas de carga en tracción. La resistencia a tracción de los pilotes con ensanchamiento en la punta se puede determinar mejor por ensayos de carga. Métodos Aproximados Los métodos aproximados de análisis dinámico, las llamadas formulas de hinca, se han usado por mas de una canturía y todavía se usan para predecir la máxima capacidad de carga de un pilote, basándose en simples observaciones de la resistencia a la hinca. Todos los análisis dinámicos están basados en la transferencia al pilote y al suelo de la energía cinética de la maza al caer. Esta realiza un trabajo útil forzando al pilote a introducirse en el suelo venciendo su resistencia dinámica. La energía se gasta en el rozamiento mecánico del martillo, en transferir la energía del martillo al pilote por el impacto y en la compresión temporal del pilote, del sombrerete (sí lo hay) y del suelo. La relación básica será, por tanto: (Ro x s) + perdidas = Wr x h x (eficiencia) (8) En esta ecuación Ro es la resistencia del pilote a la hinca; s es la distancia que el pilote recorre dentro del terreno por un golpe de martillo (la penetración); Wr es el peso de la maza y h la altura de caída en la masa. Esta ecuación se resuelve para Ro que se supone es igual a la capacidad del pilote para soportar la carga, Q. La mayor incertidumbre en este enfoque del problema y la diferencia básica entre todas las formulas dinámicas, estriba en como calcular las perdidas de energía y la eficiencia mecánica del proceso. La formula más completa es la de Hiley, como la describe Chellis. La eficiencia mecánica del martillo se representa por e, que es un coeficiente que varia de 0.75, para los martillos de maza libre que se operan con un torno o para la mayoría de los martillos de vapor que no son nuevos, a 0.9 para martillos de doble efecto, nuevos y es mas alto para los martillos hidráulicos. La energía disponible en el martillo después del impacto se puede calcular aproximadamente por el método del impulso y momentum. Este método considera el coeficiente de restitución n, que varia de 0.9 para aluminio-plastico laminado, a 0.25 para un martillo que golpee sobre la cabeza de un pilote de madera o un bloque de madera de un sombrerete; además comprende el peso del martillo Wr y el peso del pilote Wp. La energía disponible después del impacto es igual a la energía del martillo multiplicada por: Wr + n2Wp Wr + Wp Esto indica que a medida que aumenta el peso del pilote con respecto al peso de la maza, la inercia relativa aumenta y hay menos energía disponible para el trabajo útil. Esto no es estrictamente valido para pilotes largos, porque el pilote se mueve como onda que como un cuerpo rígido. La perdida de energía por la compresión elástica del pilote, el sombrerete y el suelo, se puede estimar aproximadamente, suponiendo un aumento lineal en el esfuerzo que se produce, desde cero a Ro mientras se produce la compresión. La perdida de energía será por tanto: RoC1 + RoC2 + RoC3 , 2 2 2 Siendo C1, C2 y C3 respectivamente, la compresión elástica temporal del sombrerete, del pilote, y del suelo. El valor de C2 + C3 es el rebote del pilote con cada golpe del martillo (figura 5) y se puede medir fácilmente, como se describió anteriormente. El valor de C1 se puede estimar por el valor de Ro y por la forma y material del sombrerete. El balance de la energía resultante y la formula dinámica son: Ros + Ro (c1 + C2 + C3) = Wrhe (wr + n2Wp) (9a) 2 2 2 Wr + Wp Qo = Ro =_ Wrhe _ (Wr + n2Wp) (9b) s + (1/2)(C1 + C2 + C3) Wr + Wp Nota: La formula es dimensionalmente homogénea, h y s deben estar expresados en la misma unidad. Para los martillos de doble efecto la energía E dada para un martillo determinado, substituirá en la formula a Wrh, usando para E la misma unidad de longitud que para s. Se han publicado tablas de las constantes para usar en la formula de Hiley. Aunque los valores de e, n y Wp (para pilotes largos) deben ser estimados, lo cual requiere de gran experiencia, el método es razonablemente exacto para pilotes hincados en suelos no cohesivos. Se usa generalmente un factor de seguridad de 2 a 2.5 para obtener la carga admisible. La formula de Hiley es excesivamente conservadora para pilotes largos y para pilotes muy rígidos, porque solamente una parte del peso total del pilote es acelerado cada vez, como se demuestra por el análisis por onda. Se acercaría mas a la realidad, si la masa en movimiento, Wp, fuera el peso del sombrerete mas el peso de la parte más alta del pilote. La longitud adecuada depende de la rigidez del pilote y del peso por unidad de longitud: para pesados mandriles o núcleos de acero, y pilotes prefabricados de concreto, esta de 9 a 15 m. Formula Engineering News La formula 9b se puede simplificar substituyendo por constantes arbitrarias los diferentes factores de la ecuación. La formula Engineering News se dedujo de observaciones hechas durante la hinca de pilotes de madera en arena, usando un martillo de maza de caída libre. El valor de C1 + C2 + C3 se supuso igual a 2 pulgadas (5cms) y la eficiencia del martillo y el factor de impactos iguales a 1. El resultado es el siguiente: Ro = Wrh (10a) s+1 Se introdujo un factor de seguridad de 6 para compensar cualquier inexactitud proveniente del uso de constantes arbitrarias. Como la altura de caída de la masa se mide generalmente en pies y s en pulgadas, para hacer homogénea la formula se multiplica el numerador por 12; quedando la formula reducida a su forma corriente: Rs = 1 Ro = Wr (h' x 12), 6 6(s + 1) Rs = 2Wrh' (10b) s+1 En esta expresión h' es la altura de la caída del martillo medida en pies y s la penetración media en pulgadas. Rs es la carga admisible en el pilote, con su factor de seguridad. Esta formula fue modificada posteriormente para usarla con martillos de vapor, substrayendo dos pulgadas por 0.2 pulgadas para la compresión temporal, quedando en la forma siguiente: Rs = 2 Wr h' (10c) s + 0.1 Numerosos ensayos de carga de pilotes demuestran que el verdadero factor de seguridad de la formula Engineering News es alrededor de dos en vez de seis y que ese factor de seguridad puede ser tan bajo como 2/3 y tan alto como 20. Para pilotes de madera hincados con martillo de maza de caída libre y para pilotes cortos con cargas ligeras, hincados con martillos de vapor, las formulas Engineering News indican burdamente la capacidad de carga del pilote; pero para otras condiciones los resultados pueden ser muy falsos. 5.GRUPOS DE PILOTESComo corrientemente debajo de las cimentaciones los pilotes se colocan en grupo, relativamente con poca separación entre ellos, es necesario considerar la acción del grupo de pilotes. Esto es esencialmente importante cuando se usan pilotes de pura \"
fricción\"
y cuando los suelos subyacentes al estrato resistente, en que descansan las puntas de los pilotes resistentes por la punta, son más compresibles. Figura: Arreglos básicos de grupos de pilotesIzquierda, se tienen pilotes verticales, luego pilotes verticales e inclinados, y por ultimo pilotes verticales e inclinados de forma simétrica. Capacidad De Carga Del Grupo De PilotesLa capacidad de carga del grupo de pilotes se calcula suponiendo que el grupo de pilotes forma una cimentación gigantesca, cuya base esta al nivel de las puntas de los pilotes y cuyo ancho y largo son el ancho y largo del grupo de pilotes. La capacidad del grupo es la suma de la capacidad de carga de la base de la \"
cimentación\"
, mas la resistencia a esfuerzo cortante a lo largo de las caras verticales del grupo que forma la \"
cimentación\"
.La capacidad de carga del grupo de pilotes se calcula usando la formula general de capacidad de carga (3). Se usan los factores para cimentación profunda cuando la longitud del pilote es por lo menos diez veces el ancho del grupo y cuando el suelo homogéneo; en todos los casos, se usan los factores para cimentaciones poco profundas. El esfuerzo cortante alrededor del perímetro del grupo de pilotes, es igual a la resistencia del suelo, determinada sin tener en cuenta ningún aumento de presión lateral debido al desplazamiento producido por el pilote, multiplicada por él arrea de la superficie lateral del grupo. Aunque los ensayos en modelos indican que la verdadera capacidad del grupo es siempre ligeramente menor que la calculada, la diferencia esta ampliamente comprendida dentro del factor de seguridad de 2. Eficiencia Del Grupo De PilotesLa eficiencia del grupo de pilotes eg es la relación entre la capacidad del grupo Qg, y la suma de las capacidades de numero de pilotes, n, que integran el grupo: eg = Qg (11) nQo Aunque se han deducido muchas formulas empíricas para determinar la eficiencia del grupo de pilotes, ninguna ha demostrado ser verdaderamente valida. En vez de esto, la eficiencia se debiera evaluar por la capacidad del grupo, usando la definición de la ecuación (11). La capacidad del grupo aumenta con la separación entre pilotes, mientras que la capacidad individual del pilote, en arcilla, no aumenta. Si se traza la curva de la eficiencia teórica contra el esparcimiento, sé vera que la capacidad del grupo es igual a la suma de las capacidades individuales para el esparcimiento optimo y una eficiencia de 1. El esparcimiento optimo, So, para pilotes largos en arcilla y la eficiencia del grupo para el esparcimiento optimo están dados por las siguientes formulas: So = 1.1 + 0.4n0.4 (12a) e = 0.5 + 0.4 (12b) (n - 0.9)0.1 La distancia centro a centro de los pilotes, So, típica, es de dos a tres diámetros. Los ensayos de modelos en arcilla indican que la verdadera eficiencia con el espaciamiento optimo es algo menor que 1(0.84 a 0.9) y que aumenta lentamente a mayores espaciamientos. Como al proyectar se usa corrientemente un factor de seguridad de 2, el error que se comente al considerar que la eficiencia real es 1 con el espaciamiento optimo, no tiene consecuencias graves. Para los pilotes en suelos no cohesivos la capacidad del pilote individual aumenta al reducirse el espaciamiento, debido al aumento de resistencia del suelo por la compactación. El espaciamiento optimo, es muy pequeño y tiene una eficiencia mayor que 1 pero no se pueden hincar los pilotes tan próximos unos de otros. El espaciamiento usual es de 2.5 a 4 diámetros centro a centro. Asentamiento Del Grupo De PilotesEl asentamiento de un grupo de pilotes se produce por la consolidación de los estratos de suelo situados debajo de las puntas de los pilotes. Este asentamiento excederá al de un pilote aislado que soporta la misma carga que cada uno de los del grupo, a menos que los pilotes se apoyen en roca o en un estrato grueso de suelo incompresible. El asentamiento del grupo se puede calcular suponiendo también que el grupo representa una cimentación gigantesca. Cuando los pilotes son de resistencia por la punta, la base del cimiento imaginario se supone que esta al nivel de las puntas de los pilotes, y los esfuerzos se calculan sobre esa base. Cuando los pilotes se sustentan por fricción, los esfuerzos por debajo del cimiento se calculan suponiendo que la carga del grupo entero se introduce en el suelo a una profundidad que varia entre la mitad y las dos terceras partes de la longitud de los pilotes. La carga se distribuye a este nivel en el área total que ocupan el grupo de pilotes. El asentamiento de los estratos de suelo situados debajo de las puntas de los pilotes se calcula partiendo de estos esfuerzos. Estos cálculos son aproximados en el mejor de los casos y suelen dar asentamientos mayores que los observados; sin embargo pueden indicar cuando es probable que se presenten dificultades debidas a este problema. La distribución exacta de los esfuerzos para una carga que tenga un ancho apreciable, aplica muy por debajo de la superficie de un sólido elástico, no ha sido resuelta todavía. Se pueden calcular los esfuerzos, aproximadamente, por los análisis de Boussinesq o Wastergaard para cargas superficiales, reduciéndolos después. La base para la reducción es el análisis de Mindlin, que demuestra que los esfuerzos debidos a la carga en un punto situado profundamente por debajo de la superficie son, aproximadamente, la mitad de los hallados por el análisis de Boussinesq. Figura: Comparación de la zona de esfuerzo debajo de un pilote sencillo y un grupo de pilotes 6. CARGAS LATERALES Pilotes Verticales Un pilote vertical cargado lateralmente se flexa como una viga en voladizo parcialmente empotrada. Si las cargas son pequeñas, la resistencia del suelo es bastante elástica. Esto se puede representar aproximadamente, suponiendo que el suelo reacciona como una serie de resortes horizontales, cuya rigidez se puede expresar como un modulo de reacción k. La ecuación diferencial de la flexión de la viga se puede resolver para flechas y momentos, así como la presión del suelo, por aproximaciones sucesivas o por aproximación de elementos finitos. Tales soluciones se encuentran en forma gráfica dimensional para supuestas variaciones de k. Las curvas desarrolladas por Reese y Matlock, dan los valores de las flechas, momentos flexionantes y presiones del suelo para un pilote de rigidez constante y para un k aumentado linealmente con la profundidad: k = k'z. La mejor manera de determinar los valores de k o k' de la formación del suelo, es por un ensayo de carga de un pilote de tamaño natural.. Las curvas se expresan en términos de la rigidez relativa, T en cm: T = (EI)0.2 (13a) (k') E e I se refieren a la sección transversal del pilote. La profundidad se expresa por el coeficiente adimensional Z. Z = L/T (13b) Si la carga lateral es suficientemente grande, la presión en el suelo excederá la resistencia del mismo y el pilote fallara. Algunas veces se calcula la falla de resistencia como falla del empuje pasivo de tierra en la parte superior del pilote. Esto no es real, porque en las teorías corrientes de empuje pasivo la deformación por cortante se supone bidimensional o plana mientras que el pilote cargado lateralmente fallara por esfuerzo cortante tridimensional a una presión que excede el empuje pasivo. Además, la flecha que acompaña a la falla es tan grande, que una estructura soportada por un pilote cargado lateralmente estaría en peligro mucho antes que el pilote fallara. Los resultados de ensayos de carga típicos indican que cuando los pilotes verticales están embebidos totalmente en el suelo pueden soportar cargas laterales de solamente 1/10 a 1/5 de su capacidad de carga vertical, sin una flecha excesiva (menos de 1.25 cm). Si es necesaria una mayor rigidez o resistencia lateral, se deben emplear pilotes inclinados. Pilotes Inclinados En GruposLos pilotes inclinados combinados con pilotes verticales son la disposición más efectiva para resistir fuerzas horizontales. Se ha comprobado que el anclaje de muelles y mamparos que combinan pilotes verticales en tracción e inclinados en compresión, como puede verse en la figura, es una solución ajustada y económica. Pilotes inclinados combinados con pilotes verticales se han utilizado para soportar muros de sostenimiento de tierras y estructura similares en las que se producen cargas horizontales. Un análisis racional de las cargas en los pilotes inclinados es imposible, porque el problema es estáticamente indeterminado en alto grado. Un método aproximado supone que los pilotes están articulados en la punta y en la cabeza . Tipos De Pilotes y Su Construcción Formas De Los Pilotes. Los constructores a través del tiempo han probado y usado con éxito variable, muchas formas y tipos de pilotes. Cada forma ha tenido, probablemente, éxito bajo ciertas condiciones; sin embargo, el uso de cierto tipo o forma de pilote que ha dado buen resultado en una obra, puede que no tenga éxito en una situación diferente. En los Estados Unidos de América las compañías constructoras que tienen grandes y bien equipadas organizaciones para la hinca de pilotes usan, en general, unos pocos tipos y formas de pilotes. Cuatro formas básicas se usan comúnmente: primera, sección transversal uniforme en toda la longitud del pilote; segunda, base o punta ensanchada; tercera, forma cónica y cuarta, tablestaca. El pilote de sección uniforme puede presentarse en varias formas: sección circular, cuadrada, octagonal, estriada, y H. La sección uniforme hace que la resistencia del pilote como columna sea uniforme de la punta a la cabeza y que el rozamiento superficial este bien distribuido en todo el fuste. Se adapta bien para hacer juntas y cortes, ya que todas las secciones del pilote son iguales. Con objeto de aumentar la resistencia en la punta y la fricción en la porción inferior del pilote, se han usado diferentes formas de ensanchamiento de la punta. En una se usa una punta grande prefabricada que se une a un pilote cilíndrico, mientras que en otra se forma un bulbo de concreto que es forzado dentro del suelo en la punta del pilote. Los pilotes de esta ultima forma han demostrado ser muy efectivos para desarrollar resistencia en la punta en suelos cohesivos compactos y aun en arenas sueltas. Tienen poco valor como pilotes de fricción y una ligera ventaja sobre los de sección uniforme, cuando se usan como pilotes resistentes por la punta, en roca. La forma cónica se origino con el pilote de madera, que esta de acuerdo con la forma natural del tronco del árbol; sin embargo, esta forma ha sido imitada en pilotes de hormigón y de acero para hacer más fácil la construcción. Los pilotes cónicos son útiles para compactar arenas sueltas debido a su acción de cuna, pero en otros casos pueden ser menos efectivos que los de sección uniforme. Tanto la resistencia en la punta como la fricción lateral en la porción inferior del pilote cónico son bajos porque el área de la punta y el área superficial del pilote son pequeñas. El resultado es que los pilotes de forma cónica resistentes por la punta requieren mayor longitud que los de sección uniforme para soportar la misma carga. Los pilotes cónicos que dependen de la fricción para soportar la carga, pueden transmitir una gran parte de la misma a los estratos superiores más débiles, con lo cual se producen asentamientos inconvenientes. Las tablescas son relativamente planas y de sección transversal ancha, de manera que cuando se hincan unas a continuación de otras forman un muro. Se fabrican muchas formas diferentes de tablestacas en madera, concreto y acero, para fines determinados, como son las ataguías, los muelles, los muros de sostenimiento de tierras y rastrillos impermeables; algunas tienen forma de arco y otras sección transversal en Z para darles mayor rigidez y la mayoría de los tipos se fabrican con conexiones o enclavamientos, que sirven para unirlas entre sí formando un muro que impide el paso del suelo. Los pilotes que son huecos tienen, sobre los que no lo son, la ventaja de que pueden ser inspeccionados en toda su longitud después de hincados. Durante la hinca los pilotes se pueden desviar de la vertical, encorvarse o doblarse en ángulos cerrados o pueden danarse por una hinca excesiva. Los pilotes huecos se pueden inspeccionar dejando caer en su interior una llama brillante o reflejando los rayos del sol con un espejo; pero en las otras formas hay que suponer que están correctos sin poder comprobarlo. Por lo tanto en los pilotes que no se pueden inspeccionar deben usarse factores de seguridad más altos. Los pilotes huecos que se hincan con los extremos abiertos y en los que después se extrae el material del interior, permite examinar el suelo situado debajo de la punta del pilote. Cuando un pilote con el extremo abierto se apoye en una roca de superficie irregular, se puede allanar la superficie de la roca rebajándola y, si se encuentra que el pilote se va a apoyar en una piedra que esta mas arriba que el estrato indicado para soporte del pilote, se puede barrenar la piedra o dinamitarla para que el pilote pueda llegar a la profundidad requerida. Pilotes De MaderaLa madera es uno de los materiales mas usados para pilotes, porque es barata, fácil de obtener y fácil de manipular. Algunas clases de maderas apropiadas para pilotes se encuentran disponibles en casi todas partes del mundo. El abeto, el pinabeto y el pino, pueden tener hasta 30 m de longitud, el roble y otras maderas duras hasta 15 m, el pino del sur hasta 25 m y el palmito; todas estas maderas se emplean comúnmente para pilotes. Los pilotes de madera no sometidos a tratamiento alguno, que este completamente embebidos en el suelo debajo del nivel del agua, se conservan sanos y duran indefinidamente. Cuando en 1902 se derrumbo el campanil de San Marcos en Venecia se hallo que los pilotes de madera que tenían mil anos estaban en tan buenas condiciones que se dejaron en su lugar y se usaron como soporte de la nueva torre. Los pilotes de madera sanos, que han estado bajo el agua por muchos anos se deben dejar secar antes de volverlos a hincar, porque cuando se secan las fibras de madera se vuelven enjuntas y frágiles. La madera que no haya sido sometida a tratamiento y este situada por arriba del nivel freatico se pudre y arruina por las termitas y otros insectos. En agua salada la madera puede ser atacada por horadadores marinos. Hay muchos tipos de horadadores marinos, la mayoría pertenece a los crustáceos (langostas y cangrejos) o a la de las ostras y almejas. La limnoria, que es un crustáceo de la familia del cangrejo, destruye la madera de afuera hacia adentro, dejando el pilote como si fuera una aguja de madera. El teredo, que es un molusco, de la familia de las almejas, destruye la madera de adentro hacia afuera; se introducen en el pilote por una pequeña abertura y destruye su interior dejándolo hueco. Se puede hacer que los pilotes de madera duren mas somentiendolos a un tratamiento con cloruro de zinc, sulfato de cobre y otros productos químicos patentados. La impregnación con creosota es uno de los procedimientos más eficaces y de mas duración para la protección de los pilotes de madera. Generalmente se emplea de 200 a 400 Kg. de creosota por m3 de madera (12 a 25 libras por pie cubico) que se introducen por un procedimiento de vacío y presión. En las áreas donde el ataque de los organismos marinos es muy severo, se protegen los pilotes sometidndolos a un tratamiento que es una combinación de arseniato de cobre seguido por alquitrán de hulla y creosota; ambas substancias, aplicadas bajo calor y presión, son necesarias para que los pilotes se conserven en agua salada entre 15 y 25 anos. Los pilotes de madera sufren grandemente por un exceso de hinca; en la cabeza se separan las fibras y el fuste puede llegar a rajarse o romperse, cuando encuentran una gran resistencia a la hinca. En la construcción de una esclusa en el río Mississippi fue necesario hincar varios miles de pilotes de madera a través de un estrato de arena cementada que no se había descubierto. Una excavación posterior puso en relieve que muchos de los pilotes se habían astillado y roto. Fue necesario, posteriormente, perforar con una viga de acero el estrato cementado antes de hincar los pilotes de madera. Los pilotes de madera pueden soportar con seguridad de 15 a 30 toneladas por pilote. Se han utilizado pilotes de madera para cargas de 45 toneladas métricas o más y los ensayos de carga han demostrado que pueden soportarlas con seguridad. El problema principal, en estos casos, es que hay que estar seguro que la calidad estructural de la madera es uniforme y alta para que no haya peligro de que se rompan durante la hinca. El bajo costo del material y la hinca, se hacen a menudo del pilote de madera la cimentación más barata por toneladas de carga. Pilotes Prefabricados Los pilotes prefabricados de concreto tienen el fuste de sección uniforme circular, cuadrada y octagonal, con refuerzo suficiente para que puedan resistir los esfuerzos que se producen durante su manipulación. Los tamaños más pequeños tienen de 20 a 30 cm de ancho y son generalmente sólidos; los tamaños mayores son sólidos o huecos para reducir el peso. El uso del pretensado en los pilotes de hormigón permite tener la resistencia necesaria con paredes de espesores relativamente delgados; pilotes huecos de 140 cm de diámetro y paredes de 10 cms de espesor, similares a los tubos de hormigón, generalmente se han usado cuando se ha requerido gran rigidez y alta capacidad de carga. Los pilotes de concreto prefabricados se usan principalmente en construcciones marinas y puentes, donde la durabilidad bajo condiciones severas de intemperie es importante y donde los pilotes se extienden fuera de la superficie del terreno como una columna sin soporte lateral. En este ultimo caso el refuerzo se proporciona de acuerdo con su condición de columna. Las longitudes corrientes de los pilotes sólidos pequeños varían entre 15 y 18 m y para los pilotes largos, huecos, se puede llegar hasta 60 m. La carga típica para los pilotes pequeños esta entre 30 y 50 toneladas y para los pilotes grandes hasta mas de 200 toneladas. El uso de los pilotes prefabricados esta limitado por dos factores: primero, son relativamente pesados si se les compara con otros pilotes de tamaño similar. Segundo, es dificultoso cortarlos si resultan demasiado largos y es aun más difícil empatarlos para aumentar su longitud. Pilotes De Concreto Fabricados \"
In Situ\"
(Parte 1) Los pilotes de hormigón fabricados \"
in situ\"
son los que más se usan para cargas entre 30 y 60 toneladas. Estos tipos de pilotes se pueden dividir en dos grupos: pilotes con camisa o tubo de entibacion en los que un tubo de metal de paredes delgadas se hinca en el terreno y sirve de molde y pilotes sin tuvo de estibación, en los que el hormigón se coloca en un agujero hecho previamente en el suelo, quedando el hormigón finalmente en contacto directo eon el suelo. Hay muchas clases de cada uno de estos pilotes y será instructivo para el ingeniero estudiar los catálogos de los constructores de obras de pilotaje, para ver los diferentes métodos de construcción. El pilote Raymon normal es uno de los primeros tipos de pilote con tubo de entibacion. Es un tubo de metal de pared delgada de 20 cm (8 plg) de diámetro en la punta, que aumenta a razón de 3.3 cm por metro de longitud (0.4 pulg por pie) se hinca en el terreno por medio de un mandril al que se ajusta al tubo perfectamente; después se extrae el mandril y el agujero cónico recubierto por el tubo se rellena de concreto. Este pilote se emplea para longitudes hasta sé 12 metros y cargas de 30 a 40 toneladas. El pilote Raymond escalonado consiste en una serie de tramos de tubos cilíndricos hechos de laminas corrugadas de metal; cada tramo tiene 2.40 m (8 pies) de largo y un diámetro de 2.54 cm (1 pulg) mayor que el del tramo inferior y se enroscan para formar un tubo continuo. El diámetro mínimo en la punta es de 22 cms (8 5/8 plg), pero se pueden usar puntas de diámetro hasta 34 cms (13 3/8 plg) empezando el pilote con tramos cilíndricos mayores. El pilote se hinca con un mandril que no queda ajustado al tubo y que empuja contra la punta del pilote y el anillo que se forma en la unión de cada tramo. Se usa en longitudes hasta de 29m (96 pies) y cargas de 40 a 75 toneladas, dependiendo del diámetro de la punta. En el pilote cobi y en el pilote Hercules se emplea un tubo cilíndrico de metal corrugado similar a un tubo para drenaje, de 20 a 53 cm (8 pulg a 21 pulg de diámetro interior). El tubo se hinca por medio de un núcleo cilíndrico de acero que puede expansionarse para sujetar firmemente el interior del tubo y sus corrugaciones. El núcleo del pilote tipo Cobi se expansiona por presión de aire en un tubo de goma, mientras que en el tipo Hercules la expansión se produce por acuñamiento mecánico. Son posibles longitudes hasta 30m (100 pies). El pilote Unión Monotube consiste en un tubo de acero de fina pared estriada que se hinca en el terreno sin la ayuda de núcleo o mandril. El estriado de la fina pared del tubo le da suficiente resistencia para que pueda soportar los esfuerzos de la hinca sin pandeo. Se emplea en longitud hasta de 37 m (125 pies) y cargas de 30 a 60 toneladas. Son especialmente apropiados para trabajos pequeños, porque no requieren equipos especiales de hinca, como es el mandril. Figura.- Junta de pilote tipo Hércules Se usan muchas clases de pilotes prefabricados \"
in situ\"
con tubos de entibacion de paredes delgadas. En el pilote de punta de botón (button bottom) se coloca una punta prefabricada de hormigón de 45 cm (18 plg) de diámetro en el extremo inferior de un tubo de entibacion corrugado de 30 cm (12 plg) de diámetro. Después de sacar el mandril se rellena el tubo con hormigón para hacer un pilote sin solución de continuidad. Esta forma de pilote tiene gran resistencia por la punta, pero poca resistencia por fricción, ya que esta se reduce debido a que el agujero de 45 cm que abre la punta es mayor que el diámetro del fuste. Los pilotes con tubos de entibacion de paredes delgadas tienen muchas características comunes. Generalmente no se refuerzan, porque están en compresión cuando soportan cargas verticales; sin embargo, si el pilote va a estar sometido a tracción o flexión, se puede reforzar con barras colocando estas antes de verter el hormigón. No es usual que se considere la fina pared del tubo como parte del refuerzo, porque es posible que se destruya por corrosión. Estos pilotes son fáciles de cortar, si resultan largos o aumentar su longitud durante la hinca soldándoles otro tubo. Se pueden inspeccionar después de colocados y comprobar su rectitud. El tubo de entibacion impide que el agua y el suelo se mezclen con el concreto fresco, con lo cual se estará seguro que el fuste tendrá una calidad uniforme. Algunas veces los tubos de paredes delgadas se dañan durante la hinca por obstrucciones que los cortan o que estiran las corrugaciones, lo cual reduce su resistencia o puede plegarse debido a la presión lateral muy elevada que se desarrolla en las arcilla resistentes y las arenas densas. El pilote de concreto sin tubo de entibacion permanente, se fabrica con uno temporal. Un tubo de acero de entibacion se hinca primero en el terreno; se impide que el suelo se introduzca en el tubo colocando en el extremo inferior de este un tapón de hormigón prefabricado o una plancha de metal sostenida por el núcleo. Después de la hinca se saca el núcleo y se rellana el tubo con concreto. Se coloca el núcleo dentro del hormigón y se va sacando el tubo mientras que el núcleo fuerza al hormigón contra el suelo e impide que sea arrastrado al levantar el tubo. El pilote de bulbo se fabrica de manera similar, excepto que el tubo se rellena parcialmente de concreto al principio; después se levanta la camisa una cierta cantidad y el núcleo se fuerza hacia abajo a golpes de martillo, lo cual fuerza al hormigón para formar un bulbo. Después que se ha formado el bulbo se rellena la camisa de concreto y se extrae seguidamente quedando formado así el pilote de bulbo o pilote de pedestal. Los pilotes sin tubo de entibacion generalmente no se refuerzan. Sin embargo, los pilotes de bulbo son excelentes para resistir tracciones, pero en estos casos es necesario reforzarlos. Los pilotes sin tubo de entibacion fabricados con uno provisional, son apropiados para suelos de arenas sueltas y arcillas firmes, porque en estos casos la presión lateral que se desarrolla no comprime el concreto fresco que no esta protegido. Longitudes de 18m (60 pies) y cargas de 30 a 75 toneladas son los limites usuales de estos pilotes. Los pilotes sin tubo de entibacion requieren equipos pesados para la hinca y aparatos especiales para extraer el tubo por lo que son económicos solamente en trabajos que por magnitud justifiquen estos gastos iniciales de equipo. El pilote Franki es un pilote de concreto sin tubo de entibacion que se fabrica apisonando una carga de hormigón seco en el extremo interior de un tubo de 21 cms (20 plg) de diámetro de manera que el hormigón se agarra a las paredes del tubo y forma un tapón. Una masa de 3200 Kg. cayendo de 3 a 6 m de altura en el interior del tubo fuerza al tapón en el terreno y arrastra el tubo hacia abajo por fricción. Cuando se alcanza el nivel del suelo resistente se fija el tubo al equipo de hinca y se expulsa el tapón de concreto del extremo del tubo para formar un bulbo de mas de 90 cms de diámetro. El tubo se va levantando a medida que se depositan cargas sucesivas de concreto, que apisonadas forman un fuste rugoso por arriba del bulbo o pedestal. La longitud de estos pilotes puede ser hasta 30m (100 pies) y las capacidades de carga típicas son entre 100 y 1000 toneladas. Cuando se refuerzan son excelentes pilotes para tracción. Existen varios tipos de pilotes que se fabrican barrenando el suelo sin colocar tubo de entibacion. El pilote Augercast, (barrenado y vaciado simultáneos), se fabrica perforando el suelo con una barrena continua, cuyo vástago central es hueco. La velocidad de perforación es tal que la barrena mas bien se atornilla en el terreno que expulsa el suelo; por lo tanto, el agujero se queda lleno del propio suelo hasta que se alcanza el estrato resistente. Cuando se llega a ese punto se saca la barrena desatornillandola lentamente y al mismo tiempo se bombea un mortero fluido de arena y cemento a través del vástago de la barrena. La velocidad de extracción de la barrena se controla para tener siempre una presión positiva en el mortero y poder llenar el agujero, evitar que se derrumben las paredes del mismo y para que el mortero penetre unos centímetros dentro de la arena suelta o grava. El pilote que resulta tiene resistencia por la punta y rozamiento lateral, ya que la superficie del fuste es irregular. El procedimiento es económico y no se producen vibraciones, lo cual es una ventaja en las obras de ampliación de edificios y recalces. Las longitudes y diámetros que comúnmente se usan son 18 m y 35 a 45 cm. Los pilotes por perforación se fabrican barrenando agujeros en el suelo y rellenándolos de concreto. Estos pilotes se pueden usar donde el suelo es suficientemente firme para sostener sin soporte. Los pilotes de este tipo que corrientemente se fabrican tienen un diámetro de 15 cm en adelante y más de 15 m de longitud. (Los diámetros mayores de 56 cm se consideran como pilares). Es difícil medir la calidad de los pilotes barrenados, a no ser que se hagan ensayos de carga y estos deben hacerse antes de establecer la carga de trabajo final para el proyecto. Después de que se haya verificado la resistencia de los pilotes por los ensayos de carga, es esencial una inspección continua y si se hace algún cambio en el proceso constructivo, deben hacerce nuevos ensayos para comprobar el efecto del cambio. Pilotes De Perfiles De AceroLos perfiles estructurales de acero, especialmente los pilotes H y los perfiles WF, son muy usados como pilotes para soportar cargas, especialmente cuando se requiere una alta resistencia por la punta en suelo o en roca. Como el área de la sección transversa es pequeña comparada con la resistencia, se facilita la hinca a través de obstrucciones, tales como las vetas duras cementadas, los viejos troncos de madera y hasta las capas finas de roca parcialmente meteorizada. Los pilotes se pueden obtener en piezas y se pueden cortar o empalmar fácilmente. Los perfiles que ordinariamente se hincan son de 8BP36 al 14BP117 y las cargas de trabajo varían de 40 a 150 toneladas. Se han usado perfiles de ala ancha de hasta 91.5 cms (36 plg) de peralte y también ocasionalmente pilotes formados por canales y rieles de ferrocarril. La longitud la limita la hinca solamente; se han colocado perfiles H de 35.5 cms (14 plg) de mas de 90 m (300 pies) de longitud. Los perfiles H hincados en roca pueden soportar cargas hasta él limite elástico del acero. En rocas muy duras algunas veces se refuerza la punta del pilote con planchas de acero soldadas al alma del perfil para evitar pandeo local. Loa pilotes H penetran el suelo produciendo un desplazamiento mínimo y produciendo un levantamiento del suelo y presión lateral también mínimos. Cuando los pilotes H se usan para resistir por fricción, como el área entre las alas es tan grande, la falla ocurre por esfuerzo cortante, en planos paralelos al alma de la sección que pasa por las aristas exteriores de las alas y por fricción contra el metal en las caras exteriores de las alas. Los perfiles estructurales tienen tres desventajas. Primera, son relativamente flexibles y se desvían o tuercen fácilmente si encuentran obstáculos como piedras grandes o boleos. De hecho algunos pilotes H se han desviado tanto que sus puntas han resbalado sobre el estrato resistente en vez de penetrar en él. Segunda, el suelo se empaqueta entre las alas de perfil de tal manera que el área de rozamiento corresponde al perímetro del rectángulo que circunscribe al pilote en vez de al perímetro total de la sección del pilote. Tercera, la corrosión reduce el área efectiva de la sección transversal. En la mayoría de los suelos es suficiente dejar un margen para corrosión de 1.25 a 2.50 mm, porque la dura película de corrosión protege al pilote de futuros ataques. En suelos fuertemente ácidos como los rellenos y la materia orgánica y en el agua de mar, la corrosión es mucho más seria; en estos casos la protección catódica o la inyección de concreto son necesarios para impedir el deterioro del pilote. Figura.- Secciones de Pilotes de acero Pilotes De Tubos De AceroLos tubos de acero rellenos de concreto constituyen excelentes pilotes. En la mayoría de los casos se hincan con el extremo inferior cerrado pon una placa plana o una punta cónica. La placa plana es más económica y tiende a formar una punta cónica de suelo a medida que se hinca el pilote. Unas planchas formando una X soldadas al extremo del tubo ayudan al pilote a penetrar la grava y las capas cementadas y a cortar la capa de roca. Los tubos con el extremo inferior abierto se emplean cuando es esencial un desplazamiento mínimo. Los tacos de suelo que se van introduciendo en el tubo se extraen a intervalos par impedir que se empaqueten y hagan que el pilote se hinque como si estuviera cerrado en la punta. Tanto los pilotes cerrados como los abiertos se rellenan de hormigón después de hincados (y de extraído el suelo de los abiertos); esto aumenta la resistencia del fuste, porque tanto la resistencia del acero como la del concreto contribuyen a la resistencia de la columna. Se han hincado tubos desde 27.3 cms (10.75 plg) de diámetro externo y paredes de 4.8 mm (0.188 plg) de espesor hasta 91.4 cm (36 plg) de diámetro y paredes de 12.7 mm (0.5 plg) de espesor, con capacidades desde 50 hasta mas de 200 toneladas. Las longitudes las limita el equipo de hinca; se han colocado pilotes de tuvo hasta de 60m (200 pies) de largo. Los pilotes de tubo son ligeros, fáciles de manipular e hincar y se pueden cortar y empalmar fácilmente. Son más rígidos que los pilotes H y no se desvían tan fácilmente cuando encuentran un obstáculo. Tienen además la ventaja de poderse inspeccionar interiormente después de hincados y antes de colocar el hormigón. Al hincar los pilotes de acero la masa debe golpear perpendicularmente sobre el centroide de la sección. Un martillo descentrado o que se bambolee \"
acordonara\"
el tubo e inclinara el perfil estructural, lo cual destruye la efectividad del golpe. El contenido de carbono del acero del pilote es importante, porque si es muy alto el pilote se rajara y si es muy bajo se deformara. En una obra donde se hincaron en arcilla 161 Km. (100 millas) de pilotes de tuvo de 27.3 cm (10.75 plg) de diámetro y pared de 6.3 mm (0.25 plg) y con longitudes hasta de 49 m (160 pies) se encontró que los tubos de acero fabricados en frío con el 0.22 por ciento de carbono y el 0.6 por ciento de manganeso eran los que mejor se hincaban. Figura.- Seccion tubo de Pilote de acero Pilotes CompuestosLos pilotes compuestos son de una combinación de un pilote de acero o madera en el tramo inferior y un pilote de concreto, fabricado \"
in situ\"
, en el tramo superior. De esta manera es posible combinar la economía del pilote de madera colocado bajo el nivel del agua subterránea, con la durabilidad del hormigón sobre el agua o combinar el bajo costo del pilote de hormigón fabricado \"
in situ\"
con la gran longitud o relativamente mayor resistencia en la hinca del pilote de tubo o de perfil H. El proyecto y construcción de la unión entre ambos tramos es la clave del éxito en los pilotes compuestos. La cabeza del tramo inferior debe protegerse durante la hinca; la junta entre ambos tramos debe hacerse hermética para que no penetre el suelo o el agua; debe mantenerse una buena alineación entre los dos tramos para evitar que se formen ángulos y la unión o empalme debe ser tan fuerte como la más débil de las partes que une. Se usan dos métodos para la fabricación de estos pilotes. En uno se hinca totalmente el tramo inferior; el tubo de metal con su núcleo se une al tramo inferior y ambas partes, así unidas se hincan hasta la penetración final. Se extrae el núcleo y se coloca el concreto en el tubo. Un segundo método consiste en hincar primero el tubo de acero; se regirá el núcleo y el tramo inferior se coloca dentro del tubo como un proyectil en un canon. El tramo inferior se hinca hasta mas allá del tubo utilizando el núcleo. El tubo de entibacion de acero para el pilote fabricado \"
in situ\"
se coloca dentro del primer tubo y se une al tramo inferior, después de lo cual él prime tubo es extraído y colado al pilote. Se han usado pilotes compuestos de madera y hormigón de 43 m (140 pies) y de tubos de acero y hormigón de 55m (180 pies) con cargas de 30 a 60 toneladas respectivamente. Pilotes De ArenaLos agujeros perforados en el suelo y rellenos de arena o escoria triturada, para compactar y drenar el suelo se llaman pilotes de arena o de mecha. Estos pilotes no tienen mas resistencia estructural que la de la arena compacta. Se construyen de la misma manera que los pilotes de concreto sin tubo de entibacion fabricados \"
in situ\"
, con la diferencia de que el agujero se rellena con un material que facilite el drenaje, en vez de concreto. 8.PROYECTO DE CIMENTACIONES DE PILOTAJEEl proyecto de una cimentación de pilotaje es análogo al de cualquier otra parte de una estructura. Se suponen unas dimensiones y se comprueba si con las dimensiones propuestas se tiene la seguridad necesaria y se revisa sucesivamente hasta que se encuentre que el proyecto es satisfactorio. Se comparan varios proyectos y al final se selecciona uno, basándose esta selección en el costo y en el tiempo necesario para su construcción. El colocar pilotes en una cimentación puede ser inútil en algunos lugares y bajo ciertas condiciones puede ser muy perjudicial. Por ejemplo: una ca; la de un suelo bastante firme situada sobre otra capa profunda de suelo blando, pudiera actuar como una losa natural para distribuir la carga de una cimentación poco profunda. La hinca de pilotes en la capa firme puede romperla o reamasarla; el resultado final seria la concentración de cargas en un estrato blando con el correspondiente asentamiento excesivo. Selección De La Longitud Del PiloteLa longitud aproximada del pilote se estima por el estudio del perfil del suelo y la resistencia y compresibilidad de cada uno de los estratos del suelo. Este estudio se puede hacer usando los métodos de análisis de grupos de pilotes, expuestos en la sección 5. Los pilotes de resistencia por la punta deben llegar hasta un estrato capaz de soportar la cimentación en su totalidad, sin deformación perjudicial o falla y los pilotes de fricción deben ser suficientemente largos para distribuir los esfuerzos en la masa de suelo, para reducir a un mínimo el asentamiento y obtener la adecuada seguridad del grupo total de pilotes. Selección De Los Posibles Tipos De Pilotes El tipo de pilote y el material del mismo deben ser cuidadosamente seleccionados para que se adapte a: La carga que deba soportar. El tiempo disponible para la ejecución del trabajo. Las características del suelo que atravesara el pilote, así como las de los estratos a los cuales se transfiere la carga. Las condiciones del agua subterránea. El tamaño de la obra que se realiza. La disponibilidad del equipo y la facilidad de transportarlo a la obra. La disponibilidad del material para los pilotes. 8. Los requisitos del código de construcciones. Si las estructuras es el estribo de un puente o un muelle, deben merecer especial consideración la profundidad del agua, su velocidad, las condiciones de hielo y la posibilidad de organismos marinos o productos químicos en el agua que ataquen el material del pilote. Las socavaciones suelen ocurrir alrededor de las nuevas pilas y estribos de los puentes, debido al aumento de velocidad del agua; en estos casos debe protegerse el pilotaje con concreto y arriostrarse la estructura con pilotes inclinados. Si las cargas en la cimentación son bajas y esparcidas, un pilote de bajo costo por metro y por pilote, puede que sea él más económico. Si las cargas son altas y concentradas en pequeñas áreas, un pilote capaz de soportar grandes cargas será probablemente el de costo mas bajo por tonelada de carga. Si hay varias cargas aisladas de mas de 300 toneladas, puede que sea más económico algún tipo de cimentación en pilar. El transporte del equipo para la hinca de pilotes es siempre costoso. El contratista que tenga su equipo a una distancia del lugar del trabajo que le permita transportarlo por camiones tiene una marcada ventaja sobre el que tiene que cargarlo y descargarlo de carros de ferrocarril. Si en una obra se requieren pocos pilotes, no es justificado el transporte de un equipo grande y pesado. Los pilotes ligeros y de fácil manipulación, que se pueden hincar con el equipo que se usa para la erección de la superestructura, puede que sean los más económicos. En obras que requieran la hinca de varios cientos de pilotes de 12 m (40 pies) o más metros de largo, los equipos de hinca grandes son más económicos, porque se pueden hincar mas pilotes por turno de trabajo y se pueden aprovechar para hincar una mayor variedad de tipos de pilotes. Si la obra donde se van a hincar los pilotes esta situada en una región del país donde abunda la madera, el precio de los pilotes de madera puestos en el lugar es bajo; Por lo tanto, el costo total usando muchos pilotes de madera que carguen 20 toneladas cada uno, puede ser menor que si se usaran pilotes de concreto con 40 toneladas de capacidad; se ve que hay una notable disminución. Como el concreto es, generalmente, una parte de toda la construcción, se encuentre disponible en todas partes del país para la fabricación de pilotes. El acero puede ser económico en áreas industriales pero puede ser mas costoso cuando la obra se encuentra a gran distancia de las fabricas de acero. Las características de la manipulación y del transporte de los pilotes pueden influir en la selección del tipo de pilote. La facilidad de colocar los tubos de entibacion de algunos tipos de pilotes unos dentro de otros hace la carga mas compacta, especialmente para el transporte por agua. El peso ligero unido a la gran resistencia a una manipulación ruda, es, decididamente una ventaja de los pilotes de tubos, los de tubo de entibacion estriado y los butos de entibacion corrugados, que constituyen una parte de muchos de los pilotes fabricados \"
in situ\"
. Los pilotes de madera son también ligeros y de fácil manejo. Los pilotes largos, de acero de sección H y de concreto prefabricados deben menipularse por medio de eslingas para evitar que sé flexen o rompan. Los requisitos de los Códigos de Construcción se van haciendo mas uniformes en todo el país. Los códigos especifican, generalmente, las cargas máximas permisibles por pilote, pero más corrientemente estipulan pruebas de carga para determinar las máximas cargas admisibles. Cargas De Proyecto En PilotesEl proyecto del fuste del pilote esta regido por los esfuerzos que se producen durante la hinca. Durante la hinca, la carga real o de trabajo en el fuste del pilote se iguala a la carga de falla entre el pilote y el suelo, Ro. Los esfuerzos producidos por la hinca se pueden estimar por la ecuación 9b, cualquiera que sea el tipo de suelo, porque solamente la resistencia dinámica se toma en consideración. El fuste deberá tener un factor de seguridad al menos de 1.3 con respecto a Ro, lo que significa que el factor de seguridad con respecto a la carga de proyecto Qa es mayor que para una columna corta. La carga admisible en el pilote esta regida por la unión del pilote con el suelo y por la capacidad del grupo de pilotes. SeparaciónLa separación final de los pilotes esta basada en el análisis de la acción de conjunto del grupo de pilotes. Los pilotes se colocan a distancias tales que la capacidad del grupo de pilotes actuando como una unidad sea igual a la suma de las capacidades individuales de los pilotes. Puede ser necesaria una mayor separación en arenas compactas y en arcillas resistentes para reducir al mínimo la presión lateral producida por el desplazamiento.En ciertos tipos de suelo, especialmente en arcillas compresibles, la capacidad de pilotes individuales dentro de un grupo separado puede ser menor que el equivalente de un pilote individual. Sin embargo, debido a su efecto insignificante, esto puede ignorarse en el diseño. A cambio, la preocupación principal ha sido que la capacidad del bloque del grupo pueda ser menor que la suma de las capacidades de los pilotes individuales. Como regla general, si la separación es mayor a 2 - 3 veces el diámetro, entonces el bloque de falla es mas improbable.Es de vital importancia que el grupo de pilotes en suelos friccionantes y cohesivos se acomoden de tal forma que se logre la distribución de carga en áreas mayores.Se deben evitar grandes concentraciones grandes de pilotes debajo del centro del fuste. Esto puede ocasionar que la concentración de carga resulte en asentamientos locales y falla en el fuste del pilote. Variando la longitud de los pilotes en le mismo grupo puede tener efectos similares.Para cargas de pilote de hasta 300kN, la distancia mínima del fuste del pilote deberá de ser de 100 mm.Para cargas mayores que 300 kN, esta distancia deberá ser mayor a 150 mm.Por lo general, la siguiente fórmula puede usarse para determinar la separación de pilotes:Para Pilotes friccionantes: S = 2.5× (d) + 0.02 × L ...............7.1 Para Pilotes de cohesión: S = 3.5× (d) + 0.02 × L ...............7.2 donde:d = Diámetro del piloteL = Longitud del PiloteS = Distancia de centro a centro de pilotes (separación) ToleranciasEs imposible colocar los pilotes en el punto o con el ángulo exactos que se hayan indicado en el proyecto, porque tienen a apartarse o desviarse cuando encuentran puntos doble colocar los pilotes en el punto o con el ángulo exactos que se hayan indicado en el proyecto, porque tienen a apartarse o desviarse cuando encuentran puntos duros, o blandos en el terreno. Los proyectos y especificaciones deben tolerar un desplazamiento de 5 cm en la cabeza de los pilotes pequeños hincados en suelo y 15 cm (y algunas veces mas) en pilotes hincados a través del agua. Un desplome o angularidad en el eje del pilote de 1 o 2 por ciento, con respecto a la longitud del pilote, no afecta, generalmente, su capacidad de carga y, por lo tanto, debe permitirse en el proyecto y en las especificaciones. Corrientemente se permiten tolerancias mayores, si los ensayos de carga demuestran que los pilotes pueden soportar las cargas con seguridad.

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