Capacidad De Carga Y Asentamientos En Pilotes.pdf

CAPACIDAD DE CARGA Y ASENTAMIENTO EN PILOTES

Luis Alfredo Cruz Pardo Cod: 2145611

Alexander García Roa Cod: 2130257

Jhanzy Nathalia Chaparro Murillo Cod: 2154040

Presentado a: Luz Marina Torrado

Universidad Industrial de Santander Facultad de Ingenierías Físico-Mecánicas Escuela de Ingeniería Civil Fundaciones Bucaramanga 2018 – 2

Tabla de contenido 1

Introducción ................................................................................................................................. 4

2

Casos en que se usan pilotes ..................................................................................................... 5

3

¿Cómo trabaja el pilotaje? .......................................................................................................... 6 3.1

Cimentación Rígida de Primer Orden. ................................................................................ 6

3.2

Cimentación Rígida de Segundo Orden. ............................................................................ 7

3.3

Cimentación Flotante........................................................................................................... 8

4

Materiales utilizados en pilotaje. ................................................................................................. 9 4.1

Madera ................................................................................................................................ 9

4.2

Acero ................................................................................................................................. 10

4.3

Hormigón ........................................................................................................................... 10

4.3.1

Pilotes prefabricados ................................................................................................. 10

4.3.2

Pilotes de hormigón In Situ ....................................................................................... 11

4.4 5

Pilotes compuestos ........................................................................................................... 11

Tipos de pilotes ......................................................................................................................... 11 5.1

Pilotes prefabricados ......................................................................................................... 11

5.2

Pilotes de hormigón In Situ ............................................................................................... 11

5.3

Pilotes de desplazamiento ................................................................................................ 11

5.4

Pilotes con extracción de tierras ....................................................................................... 11

6

Comparación de los tipos de pilotes ......................................................................................... 12

7

Estimación de la longitud del pilote ........................................................................................... 13 7.1

Pilotes de carga de punta .................................................................................................. 13

7.2

Pilotes de fricción .............................................................................................................. 13

7.3

Pilotes de compactación ................................................................................................... 13

8

Mecanismo de transferencia de carga ...................................................................................... 14

9

Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote .................................................................. 14 9.1

Capacidad de carga de la punta, Qp................................................................................. 15

9.2

Resistencia por fricción, Qs ............................................................................................... 15

10

método de Meyerhof; estimación de Qp ................................................................................... 16

10.1

Arenas ............................................................................................................................... 16

10.2

Arcillas ............................................................................................................................... 17

11

Método de Vesic; estimación de Qp.......................................................................................... 17

12

Método de Coyle y Castello; estimación de Qp ........................................................................ 18

12.1 13

Arenas ............................................................................................................................... 18

Resistencia por fricción (Qs) ..................................................................................................... 19

13.1

Arenas ............................................................................................................................... 19

13.2

Arcillas (superficial) ........................................................................................................... 20

13.2.1

Método λ .................................................................................................................... 20

13.2.2

Método α .................................................................................................................... 21

13.2.3

Método β .................................................................................................................... 22

13.3

RESISTENCIA POR FRICCIÓN POR MEDIO DE SPT Y CPT ........................................ 23

13.4

EJERCICIOS ..................................................................................................................... 25

14

Capacidad de carga por punta de pilotes sobre roca ............................................................... 34

14.1

CAPACIDAD DE CARGA DE PUNTA POR MEDIO DE SPT .......................................... 35

14.2

CAPACIDAD DE CARGA DE PUNTA POR MEDIO DE CPT .......................................... 36

14.3

RECOMENDACIONES PARA LOS MÉTODOS ............................................................... 37

14.4

EJERCICIOS ..................................................................................................................... 39

15

PILOTES DE PASO CÓNICO Y PILOTES CÓNICOS ............................................................. 46

16

COMPORTAMIENTO EN GRUPO DE PILOTES ..................................................................... 47

16.1

16.1.1

CAPACIDAD DE GRUPOS DE PILOTES EN ARENA (C = 0) ................................. 49

16.1.2

CAPACIDAD DE GRUPOS DE PILOTES EN ARCILLA ( Φ = 0) ............................. 49

16.2 17

CAPACIDAD DE CARGA DE GRUPOS DE PILOTES ..................................................... 47

EFICIENCIA DE LOS GRUPOS DE PILOTES ................................................................. 51

Cálculo de asentamientos en pilotes......................................................................................... 56

17.1

Asentamiento de un Pilote Individual en Arcilla ................................................................ 56

17.2

Asentamiento de Pilotes dentro de un Grupo en Arcilla ................................................... 58

17.3

Asentamiento de un Pilote Individual en Arena o Grava................................................... 59

17.4

Asentamiento de un Grupo de Pilotes en Arena o Grava ................................................. 61

17.5

Un Método Simple para Estimar el Asentamiento de un Grupo de Pilotes ...................... 61

18

Ejercicio de asentamiento en pilotes ......................................................................................... 62

19

Prueba de carga en pilotes ....................................................................................................... 63

20

Ensayos de integridad para pilotes ........................................................................................... 64

21

Reparación de pilotes ................................................................................................................ 65

22

METODOLOGIA DE DISEÑO DE GENERAL DE PILOTES .................................................... 65

23

Bibliografía ................................................................................................................................. 65

Tabla de Figuras Figura 1. Cimentación rígida de primer orden ..................................................................................... 7 Figura 2. Cimentación de segundo orden. .......................................................................................... 8 Figura 3. Cimentación flotante ............................................................................................................ 9

Figura 4. Comparación tipos de pilotes ............................................................................................. 12 Figura 5. Pilotes de carga de punta .................................................................................................. 13 Figura 6. mecanismo de transferencia de carga en pilotes .............................................................. 14 Figura 7. variación de la resistencia unitaria de punta en una arena homogénea ........................... 16 Figura 8. Valores de (Lb/D)cr con el ángulo de fricción del suelo .................................................... 16 Figura 9. variación de los valores máximos de Nc* y Nq* con el ángulo de fricción del suelo ......... 17 Figura 10. Variación de Nq* con L/D ................................................................................................. 18 Figura 11. Compactación de arena cercana a pilotes hincados(según Meyerhof, 1961)................ 19 Figura 12. Valores promedio de K..................................................................................................... 20 Figura 13. Variación de K con L/D .................................................................................................... 20 Figura 14. Variación de 𝜆 con la longitud de empotramiento de un pilote ........................................ 21 Figura 15. Variación de α con la cohesión no drenada de una arcilla .............................................. 22 Figura 16. Aplicación del método α en suelo estratificado ................................................................ 22 Figura 17. Datos del ensayo dinámico 3 ........................................................................................... 26 Figura 18. Resistencia típica a compresión no confinada de rocas .................................................. 35 Figura 19. Valores típicos del ángulo de fricción de rocas ............................................................... 35 Figura 20. Curvas para el método de Meyerhof de carga de punta ................................................. 38 Figura 21. análisis de fuerzas en pilotes cónicos y de paso cónico ................................................. 47 Figura 22. Valores de espaciamiento mínimos propuestos por códigos de construcción ................ 48 Figura 23. Zona de esfuerzos en un grupo de pilotes ...................................................................... 48 Figura 24. Grupo de pilotes en arcillas ............................................................................................. 50 Figura 25. Factor N'c para grupos de pilotes en arcilla ..................................................................... 51 Figura 26. Grupo de pilotes ............................................................................................................... 52 Figura 27. Método de Feld para eficiencia de grupos de pilotes ...................................................... 54 Figura 28. Valores del factor de influencia I, para un pilote en un estrato compresible de profundidad finita, v=0.2 ........................................................................................................................................ 57 Figura 29. Valores del factor de influencia I,para un pilote en un estrato compresible de profundidad finita, v=0.4 ........................................................................................................................................ 58 Figura 30. Varios tipos de distribución de la resistencia por fricción unitaria a lo largo del fuste del pilote .................................................................................................................................................. 59 Figura 31. Pilotes de concreto presforzado típicos (Unidades IC) .................................................... 60 Figura 32. Relaión del asentamiento del grupo de pilotes al asentamiento de un pilote .................. 61 Figura 33. Método simplificado para estimar el asentamiento del grupo de pilotes mediante la cimentación profunda equivalente..................................................................................................... 62 Figura 34. (a) diagrama esquemático de arreglo; (b) grafico de carga contra asentamiento total; (c) grafico de carga contra asentamiento neto ....................................................................................... 64 Figura 35. Metodología de un proyecto de pilotaje ........................................................................... 65

1

Introducción

El uso de pilotes es una de las técnicas más antiguas del hombre para superar las dificultades de la cimentación de estructuras en suelos blandos. Antes del siglo XIX, el tipo de cimentación más común en los edificios eran zapatas continuas, y sólo si el terreno era incapaz de soportar las presiones que ejercían las zapatas, se usaban pilotes. El diseño de estas cimentaciones estaba basado en la experiencia o simplemente dejado a la divina providencia. Se denomina pilote al elemento constructivo de cimentación profunda de tipo puntual utilizado en obras, que permite transmitir las cargas de la superestructura e infraestructura a través de estratos flojos e inconsistentes, hasta estratos más profundos con la capacidad de carga suficiente para soportarlas; o bien, para repartir estas

en un suelo relativamente blando de tal manera que atraviesen lo suficiente para que permita soportar la estructura con seguridad. Los pilotes trasmiten al terreno las cargas que reciben de la estructura mediante una combinación de rozamiento lateral o resistencia por fricción y resistencia a la penetración o resistencia por punta. Ambas dependen de las características del pilote y del terreno, y la combinación idónea es el objeto del proyecto.

Para introducir este tipo de cimentación tendremos que ver primero la clasificación de las cimentaciones para una edificación las cuales son: DIRECTAS (SUPERFICIALES) •

Zapatas y emparrillados.

•

Losas de cimentación.

•

Muros de sótano (cimentación + contención = Zapata corrida).

•

Retícula.

PROFUNDAS •

Pilotes.

•

Pantallas de pilotes.

•

Muros pantalla (cimentación + contención).

CONDICIONES DE USO DE LOS PIOTES •

Profundidad estrato resistente.

•

Terrenos con baja resistencia.

•

Cargas elevadas y concentradas (edificios en altura).

•

Edificios próximos con cimentación superficial o somera (superficial).

2

Casos en que se usan pilotes

• • • • •

Cuando las cargas transmitidas por el edificio no se pueden distribuir adecuadamente en una cimentación superficial excediendo la capacidad portante del suelo. Puede darse que los estratos inmediatos a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el suelo resistente esté a cierta profundidad; es el caso de edificios que apoyan en terrenos de baja calidad. Cuando el terreno está sometido a grandes variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones producidos con arcillas expansivas. Cuando la edificación está situada sobre agua o con la capa freática muy cerca del nivel de suelo. Cuando los cimientos están sometidos a esfuerzos de tracción. Aquí tenemos varios casos: I. II.

• •

En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo. Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; como en los muros de contención de los muelles. Cuando se deben recalzar cimientos existentes. En la cimentación por pilotaje deben observarse los siguientes factores de incidencia:

1. El rozamiento y adherencia entre suelo y cuerpo del pilote. 2. La resistencia por punta, en caso de transmitir compresiones, para absorber esfuerzos de tracción puede ensancharse la parte inferior del pilote, para que trabaje el suelo superior. 3. La combinación de ambos. Para hincar el pilote siempre se busca el apoyo sobre una capa resistente que soporte las cargas transmitidas. Frecuentemente la capa firme está a mucha profundidad, entonces el rozamiento lateral puede ser de importancia según el caso. Con un terreno mediocre en superficie y fuertes cargas, el rozamiento lateral será menos importante cuanto más débiles sean las capas del terreno atravesadas; por ello conviene emplear este sistema.

3

¿Cómo trabaja el pilotaje?

Por la forma en que trabaja el pilotaje, se lo clasifica en: 3.1

Cimentación Rígida de Primer Orden.

El pilote trabaja por punta, clavado a gran profundidad (ver Figura 1). Las puntas de los pilotes se clavan en terreno firme; de manera que se confía en el apoyo en ese estrato, aún si hubiere una pequeña descarga por rozamiento del fuste al atravesar estratos menos resistentes. Lo cual denota que las fuerzas de sustentación actúan sobre la punta del pilote, y en menor medida mediante el rozamiento de la superficie lateral del pilote. Es el mejor apoyo y el más seguro, porque el pilote se apoya en un terreno de gran resistencia.

Figura 1. Cimentación rígida de primer orden

3.2

Cimentación Rígida de Segundo Orden.

Cuando el pilote se encuentra con un estrato resistente, pero de poco espesor y otros inferiores menos firmes (ver Figura 2). En este caso se debe profundizar hasta encontrar terreno firme de mayor espesor. El pilote transmite su carga al terreno por punta, pero también descarga gran parte de los esfuerzos de las capas de terreno que ha atravesado por rozamiento lateral. Si la punta del pilote perfora la primera capa firme, puede sufrir asientos diferenciales considerables. Como en los de primer orden, las fuerzas de sustentación sobre actúan la planta del pilote y por rozamiento con las caras laterales del mismo.

Figura 2. Cimentación de segundo orden.

3.3

Cimentación Flotante

Cuando el terreno donde se construye posee el estrato a gran profundidad; en este caso los pilotes están sumergidos en una capa blanda y no apoyan en ningún estrato de terreno firme, por lo que la carga que transmite al terreno lo hace únicamente por efecto de rozamiento del fuste del pilote. Se calcula la longitud del pilote en función de su resistencia. En forma empírica sabemos que los pilotes cuya longitud es menor que la anchura de obra, no pueden soportar su carga.

Figura 3. Cimentación flotante

4 4.1

Materiales utilizados en pilotaje. Madera

La madera se emplea desde la prehistoria; en ese entonces los habitantes lacustres construían sus chozas apoyándolas sobre troncos hincados en el lecho del lago. Estos troncos lograron conservarse mientras las aguas que los rodeaban eran ácidas, es decir de pantanos turbosos. Los rollizos de madera se conservan más tiempo si se los mantiene permanentemente mojados o secos, pero si se alternan estas condiciones de humedad, se destruyen rápidamente. Antes de colocar los pilotes se aconseja impregnarlos a presión con una sustancia protectora para evitar el ataque de hongos o insectos que destruyen sus fibras. Las maderas más usadas, por ser más económicas, son pino y abeto. Si se requiere de mayor resistencia por el ataque de aguas de mar o por impactos, se debe recurrir a maderas más costosas pero de mayor dureza, como por ejemplo la haya o la teca. Los rollizos naturales son más económicos, pero si poseen sección cuadrada, son mejores para sus posibles empalmes. El hincado debe realizarse con golpeteo suave sobre la parte más gruesa del tronco. En pilotes más grandes la carga de trabajo no ha de superar las 25 T. Esta clase de pilotaje se emplea donde el tronco de árbol es un material habitual fácil de encontrar en ese lugar, o cuando se trata de cimentaciones en zonas lacustres.

4.2

Acero

Se utilizan con secciones en H o en Cajón. En tipo cajón pueden rellenarse de hormigón después de haberse colocado. A veces se constituye el pilotaje con perfiles planos empalmables, es el tablestacado, que se consiguen con secciones de acero laminado en caliente. Se los utiliza como contención de tierras y como barrera del agua en caso de excavaciones para cimentaciones, sótanos. En muelles y zonas ribereñas también suele usarse. Para evitar la corrosión, el acero puede contener una cantidad importante de cobre , se lo llama acero de oxidación controlada o estar impregnado con pintura bituminosa. Los hincados en pilotes de acero son más fuertes y vigorosos. Si es necesario, pueden recuperarse y se les puede hacer variar su longitud por corte o por soldadura.

4.3 Hormigón Los pilotes fabricados de este material se dividen en: 4.3.1

Pilotes prefabricados

Los Pilotes Prefabricados pertenecen a la categoría de Cimentaciones Profundas, también se los conoce por el nombre de Pilotes Premoldeados; pueden estar construidos con hormigón armado ordinario o con hormigón pretensado. Los pilotes de hormigón armado convencional se utilizan para trabajar a la compresión; los de hormigón pretensado funcionan bien a la tracción, y sirven para tablestacas y cuando deben quedar sumergidos bajo agua. Estos pilotes se clavan en el terreno por medio de golpes que efectúa un martinete o con una pala metálica equipada para hincada del pilote. Su sección suele ser cuadrada y sus dimensiones normalmente son de 30 cm. x 30 cm. ó 45 cm. x 45 cm. También se construyen con secciones hexagonales en casos especiales. Están compuestos por dos armaduras: una longitudinal con 4 diámetros de 25 mm. y otra transversal compuesta por estribos de varilla de sección 8 mm. como mínimo. La cabeza del pilote se refuerza uniendo los cercos con una separación de 5 cm. en una longitud que oscila en 1 m. La punta va reforzada con una pieza metálica especial para permitir la hinca.

4.3.2

Pilotes de hormigón In Situ

Los Pilotes Hormigonados In Situ son un tipo de Pilotes ejecutados en obra, tal como su nombre lo indica, en el sitio, en el lugar. 4.4 Pilotes compuestos Las porciones superficiales e inferiores de los pilotes compuestos están hechos de diferentes materiales, por ejemplo, se fabrican de acero y concreto o de madera y concreto.

5

Tipos de pilotes

5.1 Pilotes prefabricados Ya mencionados en 4.3.1 5.2 Pilotes de hormigón In Situ Ya mencionados en 4.3.2 5.3

Pilotes de desplazamiento

Los Pilotes de Desplazamiento son los Pilotes que se construyen sin extraer las tierras del terreno y tienen dos sistemas de ejecución diferentes. Los sistemas de ejecución de los pilotes de desplazamiento son: • • 5.4

Pilotes de desplazamiento con azuche. Pilotes de desplazamiento con tapón de gravas Pilotes con extracción de tierras

Este sistema de Pilotaje por Extracción de Tierras requiere que las tierras de la excavación sean extraídas antes de la ejecución del hormigonado de pilotes. La excavación se puede realizar de diferentes modos, de acuerdo con las características del terreno. Para lo cual se utilizan maquinarias diferentes como cucharas, trépanos, barrenas y otros. En terrenos poco cohesivos o cuando el terreno resistente queda debajo del Nivel Freático, se pueden producir desmoronamientos o filtraciones de la napa. Para evitar estos problemas se recurre a una camisa metálica, es un tubo que tiene la misma función de un encofrado; esta camisa se va clavando al tiempo que se efectúa la excavación. Estas camisas pueden ser recuperables o perdidas si se dejan en el terreno; en este caso, el tubo metálico ha sido tratado en su cara externa con pinturas adecuadas para evitar la corrosión. Existen otras soluciones que utilizan lodos tixotrópicos para garantizar la estabilidad de las paredes de la excavación; o por extracción de tierras con barrena helicoidal, en terrenos coherentes donde no ocurran desmoronamientos. Dentro de la clasificación de pilotes con extracción de tierras, podemos mencionar: •

Pilotes de Extracción con Entubación Recuperable: por lo general son pilotes de grandes dimensiones, con diámetros entre 45 y 125 cm

6

Comparación de los tipos de pilotes

Varios factores afectan la selección de pilotes para una estructura particular en un sitio específico. La figura 3 da una breve comparación de las ventaja y desventajas de los tipos de pilotes con base en el material que están hechos.

Figura 4. Comparación tipos de pilotes

7

Estimación de la longitud del pilote

Los pilotes se dividen en tres categorías principales, dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia de carga al suelo. • • •

Pilotes de carga de punta Pilotes de fricción Pilotes de compactación

7.1 Pilotes de carga de punta Si se presenta un lecho rocoso a una profundidad razonable el pilote se puede prolongar hasta este, por lo que su capacidad ultima dependería de la capacidad de soporte de carga de ese material. 𝑄𝑢 ≈ 𝑄s + Qp

Figura 5. Pilotes de carga de punta

Donde Qs = carga tomada por la fricción superficial desarrollada en los lados del pilote. Qp = carga tomada en la punta del pilote.

7.2 Pilotes de fricción Cuando no se tiene un estrato competente a una profundidad razonable los pilotes de carga de punta resultan muy largos y antieconómicos, ara este tipo de condición en el subsuelo se utilizan pilotes donde su resistencia se debe a los esfuerzos cortantes generados a lo largo de la superficie lateral del pilote, y su capacidad ultima 𝑄𝑢 ≈ 𝑄s

7.3 Pilotes de compactación Bajo ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr una compactación apropiada del suelo cercano a la superficie del terreno y se denominan pilotes de compactación.

8

Mecanismo de transferencia de carga

La carga sobre el pilote es gradualmente incrementada desde cero hasta Q en la superficie del terreno. Parte de la carga será soportada por la fricción lateral Q1 y parte el suelo debajo de la punta del pilote Q2.

Figura 6. mecanismo de transferencia de carga en pilotes

9

Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote

La capacidad última de carga de un pilote se obtiene por una simple ecuación mostrada a continuación: 𝑄𝑢 = 𝑄s + Qp Donde: Qu=capacidad última del pilote. Qs=resistencia de fricción. Qp=capacidad de carga de la punta del pilote.

Numerosos autores como por ejemplo Vesic (1977), Meyerhof (1976), y Coyle y Castello (1981), publicaron estudios tratando de determinar los valores de Qp y Qs tales estudios son una valiosa ayuda en los cálculos de la capacidad ultima en pilotes.

9.1 Capacidad de carga de la punta, Qp La capacidad última de carga se expresa como:

Donde Nc, Nq y Nɣ son los factores de capacidad de carga. La resistencia última qp por área unitaria desarrollada en la punta del pilote se expresa por:

Donde D es igual al ancho del pilote. Dado que D es relativamente pequeño el tercer termino de la ecuación anterior se cancela. De manera general la carga de punta de pilotes es: 𝑄𝑝 = 𝐴𝑝 ∗ 𝑞𝑝 = 𝐴𝑝*(𝐶*𝑁𝑐 + 𝑞*𝑁𝑞 ) Donde: 𝐴𝑝= Área de la punta del pilote C=Cohesión del suelo que soporta la punta del pilote 𝑞𝑝=Resistencia unitaria de punta q=Esfuerzo vertical efectivo al nivel de la punta del pilote Nc y Nq=Factores de capacidad de carga

9.2 Resistencia por fricción, Qs La resistencia por fricción se expresa por: 𝑄𝑠 = ⨊ 𝑝 ∗ 𝛥𝐿*𝑓 Donde: p= Perímetro de la sección del pilote 𝛥𝐿= Longitud incremental del pilote f= Resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z

10 método de Meyerhof; estimación de Qp 10.1 Arenas la capacidad de carga de punta de un pilote en arena generalmente crece con la profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo y alcanza un valor máximo para una relación de empotramiento de Lb/D=(Lb/D)cr. Note que en un suelo homogéneo Lb es igual a la longitud real de empotramiento del pilote

Figura 7. variación de la resistencia unitaria de punta en una arena homogénea

Figura 8. Valores de (Lb/D)cr con el ángulo de fricción del suelo

En arenas sin cohesión, C=0 la capacidad de carga de punta toma la siguiente expresión: 𝑄𝑝 = 𝐴𝑝 𝑞𝑝 = 𝐴𝑝 q’ N𝑞* q’=esfuerzo vertical efectivo en la punta del pilote.

Para el cálculo de Nq* observamos la Figura 8.

Figura 9. variación de los valores máximos de Nc* y Nq* con el ángulo de fricción del suelo

10.2 Arcillas La condición para arcillas es que el ángulo de fricción del suelo sea igual a cero (ɸ=0) Para pilotes en arcillas saturadas en condiciones no drenadas. Qp=Nc*Cu*Ap=9*Cu*Ap Donde Cu es igual a la cohesión no drenada del suelo debajo de la punta del pilote.

11 Método de Vesic; estimación de Qp Propuso un método para calcular la capacidad de carga de punta basándose en la teoría de expansión de cavidades. Para arenas: 𝑄𝑝 = 𝐴𝑝.qp = 𝐴𝑝. (C.Nc*+ 𝜎𝑜’. 𝑁𝜎*) 𝜎𝑜’ = ( (1 + 2.𝐾0)/ 3 ) . 𝑞 ′ 𝐾0 = 1 − 𝑠𝑒𝑛 Ø 𝑁𝜎*,Nc* = factores de capacidad de forma.

12 Método de Coyle y Castello; estimación de Qp 12.1 Arenas Analizaron 24 pruebas de carga de campo a gran escala de pilotes hincados en arena. Con base en esos resultados estimaron que: 𝑄𝑝 = 𝑞′.𝐴𝑝. 𝑁q* Donde: q’=esfuerzo vertical efectivo en la punta del pilote. Nq*=factor de capacidad de carga Para el cálculo de Nq* observamos la Figura 9.

Figura 10. Variación de Nq* con L/D

13 Resistencia por fricción (Qs) 13.1 Arenas Como ya lo habíamos nombrado en 9.2, la resistencia por fricción se expresa por: 𝑄𝑠 = ⨊ 𝑝 ∗ 𝛥𝐿*𝑓 En donde la resistencia unitaria por fricción (f), es difícil de calcular, para hacerlo hay que tener en cuenta: •

La naturaleza del hincado del pilote, la Figura 10 muestra los contornos del ángulo de fricción del suelo alrededor del pilote hincado.

Figura 11. Compactación de arena cercana a pilotes hincados(según Meyerhof, 1961)

•

La fricción superficial unitaria aumenta con la profundidad de manera lineal hasta un punto L’ y luego permanece constante. L’≈ 15D. Para este caso podemos observar la Figura 6.

Teniendo en cuenta esto para z=0 a L’ 𝑓 = 𝐾.𝜎v’. 𝑇𝑎𝑛𝛿 y para z=L’ a L 𝑓 = 𝑓𝑧=L’ Donde: K= Coeficiente efectivo de presión de tierra 𝜎v’=Esfuerzo vertical efectivo a la profundidad determinada 𝛿 = Angulo de fricción suelo-pilote En realidad, la magnitud de K varia con la profundidad. Es aproximadamente igual al valor Kp de la presión pasiva de Rankine en la parte superior del pilote y menor que el coeficiente Ko de la presión de reposo a una profundidad mayor. en la Figura 11 se observan los valores promedios de K.

Figura 12. Valores promedio de K

13.2 Arcillas (superficial) El cálculo de la resistencia por fricción superficial de pilotes en arcilla no es sencillo, a causa de diferentes variables que no se pueden cuantificar con facilidad, pero aun así existen varios métodos para obtener la resistencia unitaria por fricción en un pilote. Tres de los procedimientos actualmente aceptados se describen a continuación. 13.2.1 Método λ Propuesto por Vijayvergiya y Focht (1972), basado en la suposición de que el desplazamiento del suelo debido al hincado del pilote genera una presión lateral pasiva y que la resistencia superficial promedio es: 𝑓𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝜆.(𝜎vprom’ = 2𝐶𝑢)

Figura 13. Variación de K con L/D

Donde: 𝜎vprom’= Esfuerzo vertical efectivo medio para toda la longitud de empotramiento

𝐶𝑢=Resistencia cortante no drenada media El valor de 𝜆 cambia con la profundidad de penetración del pilote (ver Figura 13)

Figura 14. Variación de 𝜆 con la longitud de empotramiento de un pilote

13.2.2 Método α De acuerdo con este, la resistencia unitaria superficial en suelos arcillosos se presenta así: F=α.Cu Donde α= factor empírico de adhesión La variación aproximada de α se muestra en la Figura 14.

Figura 15. Variación de α con la cohesión no drenada de una arcilla

Figura 16. Aplicación del método α en suelo estratificado

13.2.3 Método β En arcillas saturadas cuando se hincan pilotes la presión de poros en el suelo alrededor de los pilotes aumenta, quedando: 𝑓 = 𝛽. 𝜎v’

Donde: 𝜎v′= Esfuerzo vertical efectivo 𝛽 = K.TanØ𝑅 Ø𝑅=Angulo de fricción drenado de la arcilla remoldeada 𝐾 = Coeficiente de presión de tierra De manera conservadora K es el coeficiente de presión de tierra en reposo, y una vez calculado f, la resistencia por fricción será: 𝑄𝑠 = ⨊ 𝑓. 𝑝. 𝛥L

13.3 RESISTENCIA POR FRICCIÓN POR MEDIO DE SPT Y CPT

La resistencia por fricción unitaria promedio, ƒprom, para pilotes hincados de gran desplazamiento por medio de SPT se obtiene como:

Donde: ƒprom en las mismas unidades que Pa

Pa = presión atmosférica (≈ 100 kN/m² ≈ 2000 lb/pie²) En pilotes hincados de bajo desplazamiento la ecuación es:

Según Briaud y otros la fricción superficial se puede determinar como:

Si el suelo en el que se sitúa el pilote es bastante homogéneo la resistencia por fricción se puede tomar como: Qs = p ⋅L ⋅ ƒprom

Donde: p = Perímetro de la sección transversal del pilote. L = Longitud total del pilote. Para SPT también se tiene: ƒs = Xm ⋅ Ncor Donde: ƒs en kPa Xm = 2.0 para pilotes con gran volumen de desplazamiento = 1.0 para pilotes de volumen pequeño. Ncor = promedio estadístico del número de golpes en el estrato (utilizar como N55) Para CPT, Meyerhof (1956), Thorburn y MacVicar (1971) sugirieron: ƒs = 0.005 ⋅ qc Donde: qc = Resistencia del cono de penetración en kPa. Cuando un penetrómetro de cono es usado y la fricción lateral qcs es medida: ƒs = q cs (Pilotes de volumen de desplazamiento pequeño) ƒ s = 1.5 a 2.0 ⋅ qcs (Pilotes de gran volumen) Donde: ƒs en mismas unidades que qcs.

RECOMENDACIONES PARA LOS MÉTODOS La carga de punta última de las ecuaciones descritas son las cargas de punta última total; por lo que incluyen el peso del pilote, entonces la carga de punta neta última es aproximadamente: Q p(neta) = Q p(total) − q'Ap

En campo, para suelos con φ > 0, se supone Qp(neta) = Qp(total). En suelos cohesivos con φ = 0, q N′ = 1, por lo que la capacidad de punta total es: Qp (total) = (C u N′q + q′) ⋅ Ap Entonces: Q p (neta) ={( Cu N′q + q′)− q′} ⋅ Ap = Cu N′q Ap = 9 Cu Ap = Q p Luego de determinar la capacidad de carga última de un pilote sumando la capacidad de punta y la resistencia por fricción, debe usarse un factor de seguridad razonable para obtener la carga total admisible. El error más serio en el análisis de la capacidad de carga estática de pilotes es el uso de un factor de correlación o parámetro para la profundidad total embebida en lugar de subdividir la profundidad en varios valores de ΔL con parámetros seleccionados para este rango de profundidad y utilizar la sumatoria indicada en un principio.

13.4 EJERCICIOS

Encontrar la capacidad de carga de punta del siguiente pilote (figura 70) por medio de los datos del ensayo dinámico SPT número 3 (tabla XI, ver anexo 15 en adelante), utilizar los diferentes métodos. Suponer: Pilote de acero, perfil HP360×174 (ver anexo 4) Longitud del pilote = L = 5.20 m Solución: 218 Por medio de las correlaciones de la tabla II con base a los valores N promediados del estrato superior y el estrato de soporte pueden tomarse las densidades correspondientes.

Figura 17. Datos del ensayo dinámico 3

Para el estrato de limo arenoso color café el valor promedio de N sin corregir es:

La base o diámetro se determina con un promedio de las dimensiones:

Determinar capacidad de carga de punta:

14 Capacidad de carga por punta de pilotes sobre roca El pilote a veces se hinca sobre un estrato subyacente de roca, se debe calcular la capacidad de carga de la roca y la resistencia de punta unitaria ultima que es aproximadamente: 𝑞𝑝 = 𝑞𝑢.(𝑁Ø + 1)

Donde: 𝑁Ø=𝑇𝑎𝑛2 (45 + Ø′ 2 ) 𝑞𝑢=Resistencia a la compresión no confinada de la roca Ø′= Ángulo de fricción drenado También se puede determinar la resistencia a la compresión no confinada de la roca por medio de pruebas en el laboratorio de rocas recolectadas en campo, pero como estas muestras son de diámetro pequeño la resistencia a la compresión simple suele disminuir entre cuatro y cinco veces por lo que: 𝑞𝑢(𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜) = 𝑞𝑢(𝐿𝑎𝑏) /5

Figura 18. Resistencia típica a compresión no confinada de rocas

Figura 19. Valores típicos del ángulo de fricción de rocas

Un facor de seguridad de por lo menos 3 debe usarse para determinar la capacidad de carga admisible de punta en pilotes. Entonces: 𝑄𝑝 = (𝑞𝑢(𝐷𝑖𝑠).(𝑁Ø+1)𝐴𝑝)/ 𝐹𝑆

14.1 CAPACIDAD DE CARGA DE PUNTA POR MEDIO DE SPT

Donde: Qpu = Carga de punta última en kN. Ap = Área de punta del pilote.

Ncor = N55 = Número de penetración estándar corregido promedio en una zona de alrededor de 8B arriba a 3B bajo la punta del pilote (puede ser también 4B abajo y 10B arriba de la punta, ver apéndice G). B = Ancho o diámetro del pilote. Lb/B = Proporción de profundidad media de pilote dentro del estrato de carga. En unidades inglesas la ecuación queda: Qp (lb/pie 2) = 800 ⋅N cor L b /B ≤ 8000 ⋅N cor Según Briaud y otros (1985) la resistencia de punta para pilotes en arena puede determinarse como:

Según Shioi y Fukui (1982) para pilotes colados in situ en arena: Qpu = Ap (3 ⋅ P a) Según Shioi y Fukui (1982) para pilotes perforados en arena: Q pu = Ap (0.1⋅P a ⋅N 60) Para pilotes perforados en arena gravosa: Q pu = Ap (0.15 ⋅P a ⋅N60) Para pilotes perforados en todo tipo de suelo: Q pu = Ap (0.3 ⋅ P a ⋅N60) Donde: N60 = Número de penetración estándar promedio en la zona definida anteriormente. Pa = Presión atmosférica (≈ 100 kN/m2 ≈ 2000 lb/pie2).

14.2 CAPACIDAD DE CARGA DE PUNTA POR MEDIO DE CPT

Para CPT en pilotes con L/B ≥ 10 la carga de punta es:

Qpu = Ap ⋅ qc Donde: Qpu en las mismas unidades que qc. qc = Promedio estadístico de la resistencia de punta del cono en la misma zona que para SPT. 14.3

RECOMENDACIONES PARA LOS MÉTODOS

✓ Todas las ecuaciones pueden ser igualmente aplicadas dependiendo de los datos disponibles. El mayor problema en utilizar la ecuación general dada para capacidad de carga de punta es tener acceso a los datos como el ángulo de fricción interna φ y al peso específico γ.

✓ Se tienen disponibles al menos cuatro métodos para obtener los factores Ni de capacidad de carga, por medio de los utilizados en las ecuaciónes de Hansen, Meyerhof, Vesic y Janbu. Puede observarse que los factores Nq de Hansen para cimentaciones superficiales varían más del doble comenzando con un ángulo de fricción interna de φ = 34° a 40°. ✓ Los valores de Meyerhof mostrados en la figura 65 también muestran un gran cambio de Nq en los ángulos de fricción interna más grandes. No importa el procedimiento para determinar Qp, su valor máximo no se desarrolla hasta que el pilote ha penetrado por lo menos entre 10% y 25% de su ancho, una profundidad crítica en el caso de arena.

Figura 20. Curvas para el método de Meyerhof de carga de punta

14.4 EJERCICIOS

15 PILOTES DE PASO CÓNICO Y PILOTES CÓNICOS

La resistencia por fricción superficial en pilotes cónicos es (ver figura 83):

Donde: δ = Ángulo de fricción entre el pilote y el suelo (tabla XVI), generalmente φ’ = δ. K = Coeficiente de empuje de suelo, según ensayos se encuentra entre K = 1.7 a K = 2.2K0 para pilotes cónicos y de paso cónico, Meyerhof (1976) sugiere K ≥ 1.5 y Blanchet y otros (1980) sugieren 2K0. As = Área de la superficie del pilote en la que actúa la resistencia por fricción = perímetro × ΔL. ω = Ángulo de conicidad del eje del pilote. Para propósitos prácticos la relación trigonométrica dada en la ecuación para pilotes cónicos es tanφ’ a menos que la conicidad sea muy grande. La ecuación β q s ƒ = ⋅ ′ produce la salvedad de que los ensayos de carga indican valores más grandes de K para pilotes cónicos. El usuario debe hacer algún estimado para la resistencia por fricción límite en la ecuación para pilotes cónicos a partir de que cónico o no, la resistencia por fricción superficial del pilote no aumenta ilimitadamente con el aumento de q.

Figura 21. análisis de fuerzas en pilotes cónicos y de paso cónico

16 COMPORTAMIENTO EN GRUPO DE PILOTES 16.1 CAPACIDAD DE CARGA DE GRUPOS DE PILOTES

Consideraciones para grupos de pilotes En un grupo de pilotes es razonable esperar que las presiones por fricción o carga en punta sean como se suponen idealizadas en la figura 85. Si el espaciamiento es adecuado el suelo no fallará por corte o el asentamiento no será excesivo. La intensidad del esfuerzo en las zonas de esfuerzo superpuestas decrece con el incremento del espacio entre pilotes (s, medido de eje a eje de los pilotes), espaciamientos grandes son poco prácticos ya que un pilote individual reparte la carga sobre algunos o todos los pilotes del grupo, algunos valores de espaciamiento se muestran en la tabla XIX (ver apéndice H para diferentes configuraciones de los grupos).

Figura 22. Valores de espaciamiento mínimos propuestos por códigos de construcción

Donde: D = Diámetro o base del pilote. H = Diagonal de la sección de un pilote rectangular o H. El código BOCA estipula que el espaciamiento para pilotes por fricción en arena suelta o en grava – arena suelta se incremente 10% por cada pilote interior hasta un máximo de 40%. El espaciamiento óptimo (s) parece estar en el orden de 2.5 a 3.5D o dos a 3H para cargas verticales.

Figura 23. Zona de esfuerzos en un grupo de pilotes

Para grupos de pilotes que soportan cargas laterales y/o dinámicas un

espaciamiento mayor es usualmente más eficiente. Los espaciamientos máximos no están dados en los códigos pero se han utilizado espaciamientos tan altos como 8 ó 10D en algunas ocasiones. 16.1.1 CAPACIDAD DE GRUPOS DE PILOTES EN ARENA (C = 0)

Para grupos de pilotes en arena se pueden tener las siguientes consideraciones: 1. Para pilotes hincados en arena si el espaciamiento, s ≥ 3D, Qg(u) puede tomarse como la suma de capacidades individuales de cada pilote, esto incluye la capacidad por fricción superficial y por punta de cada uno. 2. Para pilotes perforados en arena con espaciamiento convencional (s ≈ 3D), Qg(u) puede tomarse de 2/3 a 4/3 de la suma de capacidades individuales, también incluye la capacidad por fricción y de punta de cada pilote. 16.1.2 CAPACIDAD DE GRUPOS DE PILOTES EN ARCILLA ( Φ = 0)

CAPACIDAD DE GRUPOS DE PILOTES EN ARCILLA ( Φ = 0) Por tratarse de una arcilla en esta condición se omite el término ηqN′q se omite y el término N′c se toma igual a 9 (ver figura 89). 1. Primero se determina la capacidad de carga con la siguiente ecuación: ΣQu = n×m ⋅ (9 ⋅ Ap ⋅ cu(p) + Σ α ⋅ p ⋅ c u ⋅ ΔL) Donde: Ap = Área de punta. As = Área del fuste = p⋅ΔL cu(p) = cohesión no drenada (su) en la punta del pilote p = Perímetro del área transversal del pilote. cu = Cohesión no drenada en el fuste. ΔL = Elemento diferencial del fuste. α = Factor de adhesión. 2. Determinar la capacidad de carga del bloque Lg × Bg × L. La capacidad de carga última es: ΣQu = L g ⋅B g ⋅ c u(p) ⋅ N′c + Σ2⋅ (L g +B g) ⋅ c u ⋅ ΔL

Donde: Lg ⋅ Bg = “Área de punta” del bloque (figura 88) N′c = Factor de capacidad de carga (ver figura 89 o puede tomarse igual a 9 en arcillas condición φ = 0 si no se dispone de tablas o más datos, en caso de valores de L/Bg mayores a 5 puede extrapolarse). En algunos textos puede encontrarse que para la capacidad de carga por fricción del bloque se incluye también el factor α al igual que para la capacidad de carga individual, quedando la ecuación como: ΣQu = L g ⋅ B g ⋅ c u(p) ⋅ N′c + Σ2⋅ α ⋅(Lg + Bg ) ⋅ c u ⋅ ΔL 3. Elegir el menor de estos valores como la capacidad de carga última

Figura 24. Grupo de pilotes en arcillas

Figura 25. Factor N'c para grupos de pilotes en arcilla

16.2 EFICIENCIA DE LOS GRUPOS DE PILOTES

Cuando varios pilotes se encuentran unidos por medio de un solo miembro, llamado cabezal de pilotes, conforman un grupo. Si la capacidad del grupo se tomase como la suma de capacidades individuales por las contribuciones de cada pilote, la eficiencia del grupo sería Eg = 1.0. La eficiencia de un grupo de pilotes se define como:

Ninguno de los códigos provee una guía acerca de la eficiencia de un grupo de pilotes. La Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) por medio del reporte del Comité de Cimentaciones Profundas (CDF, 1984) recomienda no utilizar la eficiencia de grupo como una descripción del comportamiento en grupo. Sugiere que para pilotes por fricción en suelos granulares con el espaciamiento usual de s = 2 a 3D tendrá una eficiencia Eg ≥ 1 (esto porque el suelo granular se densifica en las cercanías del pilote modificando los parámetros iniciales usados para el cálculo, con efectos acumulados de más de un pilote). Para pilotes por fricción en suelos cohesivos la resistencia de corte del bloque más la carga de punta del grupo se usa como la capacidad del grupo pero en ningún caso la capacidad de grupo es considerada más grande que la capacidad individual de un pilote por el número de pilotes del grupo.

Figura 26. Grupo de pilotes

En las especificaciones de la AASHTO se da la sugerencia siguiente en cuanto a la eficiencia de grupo conocida como una modificación de la ecuación Converse – Labarre:

Donde: D, m y n definidos en la figura 86.

Con θ en grados. Esta ecuación está limitada a grupos rectangulares de pilotes con los valores identificables de m × n.

La ecuación de Los Ángeles Group Action para la eficiencia de grupo es:

La ecuación de Seiler y Keeney (1944) por su parte, determina la eficiencia de grupo como (s en pies):

Cuando el cabezal de los pilotes de concreto es fundido directamente sobre el terreno como en el caso más común, la capacidad del grupo es por lo menos la capacidad del bloque, basada en el corte alrededor del perímetro del grupo definido por las dimensiones en planta más la capacidad del bloque en la punta de los pilotes. La única excepción son los pilotes de capacidad de carga en punta fundidos en roca donde la capacidad de grupo es la suma de la capacidad de punta de cada pilote. Cuando el cabezal de los pilotes está por encima del suelo como es común para las estructuras externas, la capacidad de grupo será menor que: 1. La capacidad del bloque basada en la capacidad de carga óptima en la punta de los pilotes en un perímetro definido por los pilotes exteriores (ver distancia L1 de la figura 86). 2. La suma de la capacidad individual de los pilotes. Esto es a menudo un control para relaciones s/D grandes. La capacidad de carga de un grupo de pilotes puede determinarse en función del espaciamiento entre éstos; una forma es tomar el grupo de pilotes como un bloque de dimensiones Lg × Bg × L, la otra es tomar la capacidad como la suma de capacidades individuales. La capacidad por fricción del bloque entonces es: Q g(u) ≅ ƒ prom ⋅ Pg ⋅ L Donde: Pg = Perímetro de la sección transversal del bloque. La eficiencia de grupo es por lo tanto:

La capacidad de grupo es entonces:

Si el espaciamiento, s, es lo suficientemente grande Eg > 1, por lo que el comportamiento del grupo es la suma de las capacidades individuales. Si Eg < 1 la capacidad última del grupo es: Q g(u) = E g × Σ Qu Si Eg ≥ 1: Q g(u) = ΣQ u Otro método sugerido es el método de Feld (1943), éste se basa en la reducción de 1/16 de la capacidad de carga última de cada pilote en función de cada diagonal adyacente.

Figura 27. Método de Feld para eficiencia de grupos de pilotes

Tomando como base la figura 87, puede determinarse lo siguiente: Factor de reducción:

Capacidad última = No. de pilotes, según posición × Fr × Qu Qu = Capacidad individual del pilote.

La eficiencia de grupo es entonces:

La capacidad de carga de los grupos de pilotes puede determinarse entonces como la suma de capacidades individuales o como la capacidad del bloque. Para la suma de capacidades individuales se tiene en forma general (arcillas y arenas): Capacidad de grupo = No. pilotes × (cap. de punta + cap. por fricción) Qg(u) = n×m ⋅ (Qp + Qs) Donde: Q p = Ap × (CN′c + ηqN′q) = Capacidad de carga de punta individual. Qs =ΣAs ⋅ ƒs = Capacidad de carga por fricción individual. Para el bloque de pilotes la capacidad de carga es entonces:

Qg(u) = Q p(g) + Q s(g) La capacidad de punta del grupo es entonces: Qp(g) = A p(g) × (CN′c + ηqN′q) Donde: η = 1 (Método de Meyerhof) Ap(g) = Área de “punta” del grupo = Lg × Bg La capacidad por fricción superficial del grupo es: Qs(g) = Σ A s(g) ⋅ ƒs Donde: As(g) = Área del “fuste” del grupo = perímetro del grupo × long. de los pilotes. As(g) = 2 × (Lg + Bg) × L ƒs = Fricción superficial determinada con cualquiera de los métodos.

17 Cálculo de asentamientos en pilotes El asentamiento de un pilote individual bajo carga de trabajo es usualmente tan pequeño que no presenta problemas. Sin embargo, el efecto combinado de un grupo de pilotes puede producir un asentamiento apreciable, debiendo ser considerado. El estado del conocimiento actual no permite una predicción precisa del asentamiento, sin embargo existen métodos que permiten realizar estimados razonables del asentamiento de pilotes y grupos de pilotes. Los procedimientos presentados a continuación permiten realizar una estimación aproximada del asentamiento de un grupo de pilotes o de un pilote individual dentro del grupo. La interacción entre los pilotes y el suelo circundante es compleja y no está apropiadamente entendida; en consecuencia, los valores obtenidos por los métodos simples presentados a continuación no producen valores exactos.

17.1 Asentamiento de un Pilote Individual en Arcilla El asentamiento de un pilote en una capa de espesor finito que suprayace a un material incompresible puede obtenerse de la expresión.

Donde Q = carga en el pilote.

L = longitud del pilote. Es = módulo de Young del suelo para asentamiento a largo plazo.

Mv es el valor promedio de la capa y ν es la relación de Poisson: 0.4 arcilla SC, arcilla NC rígida y 0.2 arcilla NC blanda a firme. Iρ = factor de influencia, obtenido de las Figuras. 3.1 y 3.2. Debe tenerse cuidado en utilizar sistemas de unidades consistentes.

Figura 28. Valores del factor de influencia I, para un pilote en un estrato compresible de profundidad finita, v=0.2

Figura 29. Valores del factor de influencia I,para un pilote en un estrato compresible de profundidad finita, v=0.4

17.2 Asentamiento de Pilotes dentro de un Grupo en Arcilla El asentamiento ρi del pilote i dentro de un grupo puede calcularse de la expresión:

Donde: ρi = asentamiento del pilote i bajo carga unitaria. Qi = carga del pilote i. Qj = carga en el pilote j, donde j es cada uno de los otros pilotes en el grupo, en turno. αij = es el factor de interacción entre los pilotes i y j. El valor de α depende del espaciamiento de los pilotes y se obtiene de la Figura 3.3. Aunque el gráfico está dibujado para ν = 0.5, el valor de ν no es crítico, pudiendo ser utilizado para todos los valores de ν. Para un pilote individual dentro de un grupo, se encuentra usualmente que el asentamiento del pilote debido a la influencia de los pilotes vecinos excede al asentamiento producido por la carga en el pilote. De este modo, aunque el asentamiento de un pilote individual pueda parecer pequeño en un ensayo de carga, el asentamiento de una estructura apoyada en un grupo de pilotes similares puede ser bastante grande. El proceso de añadir las interacciones de cada pilote con los otros en un grupo grande de pilotes puede ser tedioso y tomar tiempo. Sin embargo, se encuentra que la mayor parte de pilotes en el grupo está tan lejos que su influencia pueda ignorarse, o quizás se puede asignar una participación para el

efecto de todos los pilotes mas allá de determinada distancia del pilote en estudio. Cuando los pilotes no son de la misma longitud, el efecto en la relación (H/L) es pequeño, por lo que el método todavía puede utilizarse. Cuando los pilotes tienen diferentes diámetros o anchos, la relación (S/B) del pilote j deberá usarse para obtener el valor de αij.

17.3 Asentamiento de un Pilote Individual en Arena o Grava El asentamiento de un pilote hincado en suelo granular denso es muy pequeño y debido a que el asentamiento en suelo granular es rápido, generalmente no hay problema. En pilotes excavados o pilotes hincados en suelo granular suelto, el asentamiento puede ser significativo, pero no existen métodos aceptados de predecir asentamientos con exactitud. Como una aproximación gruesa, el desplazamiento vertical de un pilote puede estimarse como una carga puntual en la base del pilote. Sin embargo, el único método confiable para obtener la deformación de un pilote en un suelo granular es ejecutar un ensayo de carga. El asentamiento de un pilote bajo una carga de trabajo vertical, Qw, es causado por tres factores: S=s1+s2+s3 Donde: S1 = asentamiento elástico del pilote S2 = asentamiento del pilote cauado por la carga en la punta del pilote S3 = asentamiento del pilote causado por la carga transmitida a lo largo del fuste del pilote Entonces: 𝑠1 =

(𝑄𝑤𝑝 + ɛ ∗ 𝑄𝑤𝑠) ∗ 𝐿 𝐴𝑝 ∗ 𝐸𝑝

Qwp = carga en la punta del pilote condición de carga de trabajo Qws = carga por resistencia de fricción o superficial Ap = área de la sección transversal del pilote L = longitud del pilote Ep = módulo de elasticidad del material del pilote El valor ɛ dependerá de la distribución de resistencia por fricción unitaria a lo largo del fuste. (ver Figura 30)

Figura 30. Varios tipos de distribución de la resistencia por fricción unitaria a lo largo del fuste del pilote

𝑠2 =

𝑞𝑤𝑝 ∗ 𝐷 ∗ (1 − 𝑚𝑖𝑢𝑠 2 ) ∗ 𝐼𝑤𝑝 𝐸𝑠

Donde: D = ancho o diámetro del pilote qwp = carga puntual por área unitaria del pilote Qwp/Ap Es = módulo de elasticidad del suelo en o bajo la punta del pilote Mius = relación de Poisson del suelo Iwp = factor de influencia, aproximadamente 0.85 𝑠3 = (

𝑄𝑤𝑠 𝐷 )∗ ∗ (1 − 𝑚𝑖𝑢𝑠 2 ) ∗ 𝐼𝑤𝑠 𝑝 ∗ 𝐿 𝐸𝑠

Donde: P = perímetro del pilote L = longitud empotrada del pilote Iws = factor de influencia Para el cálculo de Iws se tiene: 𝐼𝑤𝑠 = 2 + 0.35 ∗ √

𝐿 𝐷

La figura 31 nos muestra los pilotes típicos de concreto presforzado.

Figura 31. Pilotes de concreto presforzado típicos (Unidades IC)

17.4 Asentamiento de un Grupo de Pilotes en Arena o Grava Una aproximación al asentamiento de un grupo de pilotes en suelo granular en base al asentamiento de un pilote individual puede obtenerse de la Figura 32, donde

Figura 32. Relaión del asentamiento del grupo de pilotes al asentamiento de un pilote

17.5 Un Método Simple para Estimar el Asentamiento de un Grupo de Pilotes El asentamiento promedio de un grupo de pilotes puede estimarse tratando al grupo como una cimentación equivalente con un área en planta igual al área del grupo. Para pilotes que trabajan predominantemente por punta (arenas), se asume que la cimentación estará en la base de los pilotes. Para pilotes por fricción (arcillas), se asume los dos tercios de la longitud de empotramiento, y si existe una capa superior granular o arcilla blanda, los dos tercios de la profundidad de empotramiento en la arcilla portante. Lo anterior se ilustra en la Figura 3.5.

Figura 33. Método simplificado para estimar el asentamiento del grupo de pilotes mediante la cimentación profunda equivalente

18 Ejercicio de asentamiento en pilotes

19 Prueba de carga en pilotes En la mayoría de los proyectos de gran magnitud se debe realizar un determinado número de pruebas de carga sobre pilotes. Debido a la desconfianza en los métodos de predicción. Esta capacidad de carga tanto vertical como lateral se deben probar en campo. La Figura 18 muestra un diagrama esquemático de un ensayo de carga en pilotes para probar la compresión axial en el campo. Aplicando una carga de compresión axial con un gato hidráulico, por etapas dejando transcurrir un tiempo suficiente para que ocurra un pequeño asentamiento, variando la magnitud de la carga en cada etapa, obteniendo diagramas de carga-asentamiento

Figura 34. (a) diagrama esquemático de arreglo; (b) grafico de carga contra asentamiento total; (c) grafico de carga contra asentamiento neto

Se permite calcular el asentamiento neto del pilote para cualquier carga Q de la siguiente manera: 𝑆𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑆𝑡(1) − 𝑆𝑒(1) Donde: 𝑆𝑒=Asentamiento elástico propio del pilote 𝑆𝑡=Asentamiento total

20 Ensayos de integridad para pilotes Además de los métodos directos (inspección visual y sondeo geotécnico), existen diversas técnicas indirectas para detectar posibles anomalías en las cimentaciones profundas (pilotes y módulos pantalla principalmente).

Ensayo de transparencia sónica en cimentaciones profundas (sondeo sónico, ensayo sónico, crosshole o crosshole). Detecta y localiza con precisión anomalías (deslavados, contaminación, inclusión,..., etc.). Se estudia la propagación de ultrasonidos entre parejas de tubos metálicos embebidos en el hormigón introduciendo en ellos unas sondas.

Ensayo de eco (martillo convencional). Permite evaluar la longitud del elemento por la medida del tiempo transcurrido entre un impacto y su reflexión. Se coloca en cabeza un acelerómetro y se la golpea con un martillo convencional. Requiere golpear sobre hormigón sano.

Ensayo de impedancia mecánica en cimentaciones profundas (martillo con sensor de fuerza). Además de la longitud, mediante la medida del impacto y de la respuesta vibratoria, valora la interacción con el terreno y los cambios de sección y/o de calidad del material. Se coloca en cabeza un geófono y se golpea con un martillo instrumentado. Requiere golpear sobre hormigón sano y alisado.

21 Reparación de pilotes Hay fallas por corrosión o estructurales, muchas de las reparaciones son mediante un enchaquetado esto se hace mediante una cimbra en la forma del pilote pero con un diámetro mayor. En el espacio que queda se puede instalar varillas para reforzar la estructura y posteriormente vaciar mortero. En el caso de ser reparaciones submarinas hay grouts submarinos especiales que no se disgregan por ser más pesados que el agua.

22 METODOLOGIA DE DISEÑO DE GENERAL DE PILOTES

Figura 35. Metodología de un proyecto de pilotaje

23 Bibliografía http://ingecivilcusco.blogspot.com/2009/06/pilotes.html BRAJA DAS principios de ingeniería de cimentaciones Diseño de estructuras de cimentación. Luis Garza Vásquez