Cimentaciones Profundas 1

CIMENTACIONES PROFUNDAS Aspectos básicos del diseño geotécnico

Definición de Cimentación Profunda
Son aquellos elementos que transmiten la carga de una estructura hacia capas o estratos profundos del subsuelo, evitando con ello, el desplante en suelos superficiales de baja capacidad de carga o de alta deformabilidad.

Cuándo se emplean?
1.- Cuando los estratos superiores del suelo son altamente compresibles y/o de escasa capacidad de carga.
2.- Cuando se requiere mejorar el comportamiento de cimentaciones en estructuras sujetas a carga lateral, ya sean edificios altos con cargas de viento y/o sismo ó estructuras de retención de tierra.

Cuándo se emplean?
3.-En suelos superficiales inestables (expansivos, colapsables), siempre y cuando la cimentación profunda se extiende más allá de la zona activa de expansión o de cambios en el contenido de agua.

Cuándo se emplean?
4. Para soportar fuerzas de levantamiento en estructuras sujetas a este efecto, como torres de transmisión, plataformas fuera de costa y losas de cimentación debajo del nivel freático.

Cuándo se emplean?
5. Para evitar la posible pérdida de capacidad de carga de pilas y estribos de puentes que una cimentación superficial sufriría por erosión (socavación) del suelo en la superficie.

Tipos de Cimentaciones Profundas
Pilotes. (Elementos esbeltos con diámetro no mayor de 75 cm ?). Transmiten la carga al subsuelo por una combinación de presión en la punta (Capacidad de punta) y por esfuerzos de fricción a lo largo del fuste del pilote (Capacidad por fricción).
Pilas de cimentación (Elementos con diámetro mayor a los 75 cm ?), de concreto, simple o reforzado, colado en el sitio. La transmisión de la carga es por mecanismos similares al pilote.

Estado del arte para el análisis y diseño de pilotes
A pesar del gran número de investigaciones, tanto teóricas como experimentales, para predecir el comportamiento de cimentaciones profundas, los mecanismos no han sido totalmente dilucidados.
Por lo que el análisis y diseño de cimientos profundos, en la actualidad se considera como un “arte”, por las incertidumbres implícitas al trabajar con algunas condiciones del subsuelo.

Aspectos a considerar en el diseño de cimientos profundos.
Características del subsuelo.
Métodos de exploración y muestreo del subsuelo.
Asignación de los parámetros de resistencia del(os) suelo(s).
Métodos teóricos y/ó empíricos de predicción de capacidad de carga y asentamientos.

Continuación...
De las condiciones de carga impuestas por la estructura (Carga vertical, lateral)
Del proceso de colocación del cimiento.
De la resistencia estructural del cimiento a las cargas previstas y a la corrosión.
Entre otros.

Tipos de Pilotes
De acuerdo al material de construcción:
Pilotes de acero.
Pilotes de concreto reforzado o preesforzado.
Pilotes de madera.
Pilotes compuestos.

Pilotes de Acero
Generalmente son tubos (con extremos abiertos o cerrados) o perfiles H laminados.

Capacidad admisible estructural de pilotes de acero (Q adm )
Q adm = As fs
Donde As = área de la sección transversal del acero
f s = esfuerzo admisible del acero
( ~ 0.33 a 0.5 fy)

Características
. Comparar Q adm con Q diseño
. Empalmes con soldadura, remaches o tornillos.
.

. En condiciones difíciles de hincado (gravas o rocas blandas), se usan puntas o Zapatas de hincado

. Efectos de corrosión:
. Generalmente se considera un espesor adicional, vigente en la vida útil del pilote.
También se utilizan recubrimientos epóxicos.

Propiedades comunes de pilotes de acero
Longitud usual: 15 a 60 m
Carga usual: 30 a 120 toneladas
Ventajas:
. Fáciles de manejar con cortes y extensiones
. Resisten altos esfuerzos de hincado
. Pueden penetrar estratos duros, como gravas densas y roca blanda.

Propiedades comunes de pilotes de acero
Desventajas:
Relativamente costosos
Alto nivel de ruido durante el hincado
Sujetos a corrosión
Los pilotes H pueden dañarse o desviarse de la vertical al encontrarse con obstrucciones.

Pilotes de concreto
Pilotes precolados ( concreto reforzado o preesforzado)
Pilotes colados in situ

Pilotes de concreto precolados

Características
Carga usual: 30 a 300 ton
Ventajas: . Resisten hincado enérgico
. Resistentes a la corrosión
. Adecuada unión con superestructura de concreto.

Desventajas:
. Difíciles de cortarse a la medida precisa
. Difíciles de transportar

Pilotes precolados de concreto preesforzado
Características:
. Se usan cables de acero de preesfuerzo de alta resistencia (18 000 kgcm ²)

. Longitud usual: 10 a 45 m
. Longitud máxima: 60 m
. Carga máxima: 750 a 850 ton
. Ventajas y desventajas similares a las de los pilotes de concreto reforzado.

Pilotes de concreto colados in situ
Se construyen haciendo una perforación en el terreno y llenándola con concreto.
Existen dos amplias categorías (patentados por sus fabricantes):
. Pilotes ademados
. Pilotes no ademados

Tipos de pilotes de concreto colados in situ A= Pilote Raymond escalonado; B= Pilote de acero estriado; C= Pilote ademado Western; D= Tubo sin costura Armco; E= Pilote ademado con pedestal Franki; F= Pilote no ademado sin pedestal Western; G= Pilote con pedestal no ademado Franki

30 - 40 100 - 130 - Franki con pedestal no entubado G 15 – 20 50 - 65 - Western no ademado sin pedestal F 30 - 40 100 - 130 Ademe de lámina delgada Franki con pedestal ademado E 50 160 Ademe de tubo de acero recto Tubo sin costura o Armco D 30 - 40 100 - 130 Ademe de lámina delgada Western ademado C 40 130 Ademe de acero, delgado, ahusado e hincado sin madril Monotube o Unión Metal B 30 100 Ademe corrugado delgado, cilíndrico Raymond Step-Taper A Prof. máxima (pies ) Prof. máxima (metros) Tipo de Ademado Nombre del Pilote Figura

Características de pilotes colados in situ
Longitud máxima: 30 a 40 m
Carga máxima aprox.: 80 ton

Ventajas:
. Relativamente baratos
. Posible inspección antes de colar
. Fácil de extender
Desventajas:
. Posible dificultad en las juntas después del fraguado del concreto.
. Los ademes delgados pueden dañarse durante el hincado.

Carga admisible (Q adm)
Q adm = A s f s + A c f c
donde: A s = área de la sección transversal de acero
A c = área de la sección transversal de concreto.
f s = esfuerzo admisible de acero
f c = esfuerzo admisible de concreto

Características de pilotes colados sin ademe ( el tubo se hinca primero, se cuela el concreto y el tubo se retira gradualmente)
Carga máxima aproximada: 70 ton

Ventajas:
. Inicialmente económicos
. Pueden ser terminados a cualquier elevación
Desventajas:
. Se pueden crear vacíos al vaciar el concreto en forma rápida.
. Difíciles de empalmar después del fraguado.
. En suelos blandos, los lados de la excavación pueden derrumbarse, oprimiendo al concreto.
Q adm = A c f c

Pilotes de madera
Los pilotes de madera son troncos de árboles, cuyas ramas y corteza fueron recortadas.
La madera debe ser recta, sana y sin defectos.
La longitud máxima usual está entre 10 y 20 metros.

Pilotes de madera
El Manual of Practice del ASCE, los divide en tres categorías:
. Pilotes clase A. Para cargas pesadas (Diámetro mínimo de 35.6 cm ó14 ”)
. Pilotes clase B. Para cargas medias. Diámetro mínimo de 30 cm ó 12”
. Pilotes clase C. Para obras provisionales. Diám. Mín. de 30 cm.

Características
Los pilotes de madera no resisten altos esfuerzos al hincarse, por lo que su capacidad es limitada.
Se usan zapatas de acero para evitar daños en la punta del pilote.
En la parte superior del pilote se usan capuchones o cabezales para evitar daños durante el hincado.

Debe evitarse el empalme de pilotes, sobre todo en cargas de tensión o laterales, pero si es necesario :

Los pilotes de madera permanecerán indefinidamente sin daño si están rodeados por agua o suelo saturado
Sin embargo, en ambiente marino, son atacados por diferentes organismos, siendo severamente dañados en pocos meses.
Cuando se localizan por arriba del nivel freático, están sujetos al ataque de insectos.
La vida útil de los pilotes de madera se incrementa tratándolos con creosota.
La capacidad admisible de carga de pilotes de madera es:
Q adm = A p f w
donde: A p = Área promedio de la sección del pilote.
f w = esfuerzo admisible de la madera

Esfuerzos admisibles para pilotes de madera tratada a presión 1.41 MN/m ² 0.62 MN/m ² 11.4 MN/m ² 5.7 MN/m ² Pino Southern 1.31 MN/m ² 0.66 MN/m ² 11.7 MN/m ² 6.04 MN/m ² Abeto Pacific Coast Douglas Compresión perpendicular a la fibra Cortante horizontal Flexión Compresión paralela a la fibra

Características de pilotes de madera

Pilotes compuestos
En estos pilotes, las porciones superior e inferior son de diferentes materiales.
Por ejemplo: pilotes con porción inferior de acero y superior de concreto colado en el sitio (Usado cuando la longitud del pilote excede la capacidad de carga de pilotes de concreto).

Otro ejemplo, pilotes con porción inferior de madera por abajo del nivel freático y porción superior de concreto por encima del nivel freático.
En cualquier caso, la construcción de juntas apropiadas es difícil e inhibe su utilización.

Clasificación de pilotes de acuerdo al mecanismo de transferencia de la carga
Pilotes de punta
Pilotes de fricción
Pilotes de compactación

Pilotes de punta
Si los estudios geotécnicos establecen la presencia de un lecho rocoso a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan hasta la superficie de la roca.
La capacidad del pilote depende sólo de la capacidad del material de apoyo.
La longitud del pilote puede establecerse con bastante precisión.

Pilote de punta con apoyo en lecho rocoso

Pilotes de punta
Si en vez de roca, se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro, los pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro del estrato duro.
Los pilotes con pedestales se construyen sobre el lecho del estrato duro.
La longitud del pilote puede estimarse con precisión si se dispone de estudios confiables.

Pilotes de punta en suelo duro

Pilotes de fricción
Cuando no se tiene un estrato de roca o material duro a una profundidad razonable, los pilotes pueden hincarse en el material blando a profundidades específicas.
La capacidad del pilote depende de la fricción o adherencia del éste con el suelo que lo rodea.
La longitud del pilote depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. En todo caso, se requiere de un buen conocimiento de la interacción suelo – pilote, de buen criterio y de experiencia.

Pilote de Fricción

Hincado de pilotes
1. Martillos piloteadores (martinetes)
a . Martillo de caída libre
b . Martillo de aire o vapor de acción simple
c . Martillo de aire o vapor de acción doble y diferencial
d . Martillo diesel
2. Hincadores vibratorios
3. Hincadores con chorro de agua a gran presión

Martillo de caída libre
El martillo se levanta con un malacate y se deja caer desde una altura H.
Su desventaja es la baja velocidad de golpeteo.

Martillo de aire o vapor de acción simple
La parte percusiva o martillo, se eleva por la presión del aire o vapor y luego se deja caer por gravedad.

Martillo de aire o vapor de acción doble y diferencial
Se utiliza aire o vapor para elevar el martillo y también para empujarlo hacia abajo, incrementando la velocidad de impacto.

Martillo diesel
Consiste de un martillo-pistón, yunque y sistema de inyección de diesel.
Primero se eleva el martillo y se inyecta diesel cerca del yunque.
Se deja caer el martillo, comprimiendo la mezcla aire-diesel y provocando su ignición.
Los gases resultantes empujan el pilote hacia abajo y levantan al martillo, iniciando un nuevo ciclo.

Hincador vibratorio de pilotes ó martillo vibratorio
En esencia, son dos contrapesos excéntricos de rotación contraria.
Las componentes horizontales de la fuerzas centrífuga de las masas giratorias se contrarrestan.
Por lo que se produce una fuerza vertical dinámica sinusoidal sobre el pilote.

Martillo vibratorio

Perforación con chiflón o chorro de agua.
Este procedimiento se utiliza cuando se desea atravesar un estrato delgado de suelo grueso denso (grava o arena) sobreyaciendo a un estrato débil.
En la punta del pilote se coloca un tubo de aprox. 5 cm, aboquillado a la mitad, y se inyecta agua a presión de 10 a 20 kg/cm ²
Esta acción lava y afloja la arena y grava, con lo que se puede hincar el pilote con mayor facilidad.

Arreglos típicos de inyección de agua, para facilitar el hincado de pilotes

Pilotes inclinados
Generalmente se utilizan para proporcionar capacidad por carga lateral.
Se inicia con una perforación superficial usando barrenos neumáticos, con inclinación común entre 14° y 20°.
Los pilotes se insertan en estas perforaciones y se hincan a la profundidad requerida.

Clasificación de pilotes de acuerdo a la naturaleza de su colocación
Con desplazamiento. Cuando se mueve o desplaza el suelo que rodea al pilote. Los pilotes hincados mueven parte del suelo lateralmente, densificándolo parcialmente. De alto desplazamiento (pilotes de concreto y tubulares de extremo cerrado) y de bajo desplazamiento (pilotes H de acero).
Sin desplazamiento. Cuando no se desplaza el suelo durante la colocación del pilote, por ejemplo, los pilotes colocados en perforación previa (aunque sí se produce un pequeño cambio en el estado de esfuerzos en el suelo).

Mecanismo de transferencia de carga en pilotes

La curva 1 de la fig. b muestra la variación de Q (z), carga tomada por el fuste a cualquier profundidad z.
La resistencia por fricción por área unitaria a cualquier profundidad z es :
donde p = perímetro de la sección del pilote
La parte c de la anterior figura muestra la variación de f (Z) con la profundidad.

La resistencia máxima por fricción a lo largo del fuste del pilote Q s se alcanza cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote es de 5 a 10 mm.
Mientras que la resistencia máxima por punta Q p se alcanza cuando el pilote se ha movido del 10 al 25% del diámetro del pilote (Pilotes hincados-pilotes perforados).
Lo anterior indica que la resistencia por fricción se alcanza para un desplazamiento mucho menor, comparado con el de la resistencia por punta.

La parte “e” de la figura, muestra la superficie de falla del suelo en la punta del pilote, indicando una falla por punzonamiento, generándose una zona triangular I en la punta del pilote, rígida con el cimiento y una zona II de esfuerzos cortantes radiales.

Capacidad de carga de un pilote
La capacidad de carga última de un pilote Q u, se expresa como:
Q u = Q p + Q s
donde:
Q u = capacidad de carga en la punta del pilote.
Q s = resistencia por fricción entre el suelo y el fuste del pilote.

Capacidad de carga por punta de un pilote
La capacidad última de punta, q u, en general se expresa como:
q u = c´ N c* + q N q* + γ D N γ *
donde:
c´ = cohesión aparente del suelo.
q = sobrecarga de suelo sobre la punta.
N c*, N q* , N γ * = factores de capacidad de carga, dependientes de Ø
D = diámetro o ancho del pilote

Capacidad de carga por punta de un pilote
Como el ancho D de un pilote es pequeño, el último término de la derecha se cancela, y la expresión queda:
q p = c´N c* + q´ N q*
con q´ como esfuerzo vertical efectivo en la punta del pilote.
Carga por punta de pilote, Q p:
Q p = A p q p = A p ( c´N c* + q´ N q* )

Capacidad de carga por fricción
Q s = Σ (p Δ L f)
donde:
Q s = Esfuerzo resistente por fricción lateral
p = perímetro de la sección del pilote
Δ L = Longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes.
f = Resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z.

Resistencia por punta, Q p Método de Meyerhof (1976)
En arenas :
La resistencia por punta q p, crece con la profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo y alcanza un valor máximo para (L b /D) cr

Resistencia por punta, Q p Método de Meyerhof, en arenas
En arenas, c´= 0, por lo que:
q p = c´N c* + q´ N q*
q p = q´ N q*
Q p = A p q p = A p q´ N q*
Sin embargo, el valor de Q p no debe exceder el valor límite de A p q L
Con q L = 0.5 p a N q* tan Ø´ ; es decir:
q´ N q* < = q L

Resistencia por punta, Qp Método de Meyerhof

Resistencia por punta, Qp Método de Meyerhof, en arenas
Meyerhof, también propuso obtener la resistencia por punta de pilotes apoyados en suelos granulares, a partir de datos de pruebas de penetración estándar.
q p = 0.4 p a (N 1 ) 60 L / D < = 4 p a (N 1 ) 60
donde (N 1 ) 60 = valor promedio corregido del número de penetración estándar cerca de la punta del pilote (Aprox. 10D arriba y 4D debajo de la punta del pilote)

Resistencia por punta, Qp Método de Meyerhof, en arcillas ( Ø = 0)
Para pilotes en arcillas saturadas, en condiciones no drenadas ( Ø = 0)
Q p = N c * c u A p = 9 c u A p
donde c u = cohesión no drenada del suelo debajo de la punta del pilote.

Método de Meyerhof, con apoyo en suelos cohesivo - friccionantes
Q p = c N´ c + q´ N´ q
Para poder utilizar estos factores, es necesario que el pilote penetre dentro del estrato resistente una profundidad de cuando menos:

Resistencia por punta, Qp Método de Vesic (1977)
Este método se basa en la teoría de expansión de cavidades, con parámetros de esfuerzos efectivos .
Q p = A p q p = A p ( c´N c * + σ o ´ N σ * )
σo´ = esfuerzo efectivo normal medio del terreno al nivel de la punta pilote.

Método de Vesic
De acuerdo con Vesic
N σ * = f ( I rr )
I rr = Índice de rigidez reducida del suelo .

Método de Vesic
E s = módulo de elasticidad del suelo
μ s = relación de Poisson del suelo
Δ = deformación volumétrica unitaria promedio en la zona plástica debajo del pilote.
Para condiciones sin cambio de volumen (arenas densas, arcillas duras), Δ = 0
por lo que: I r = I rr
La tabla 11.4 da los valores de N c y N σ * , en función del ángulo de fricción del suelo Ø´ e I rr.

Método de Vesic
Para Ø = 0 (condición no drenada)
N c * = 4/3 ( ln I rr + 1 ) + π / 2 + 1
Los valores de Ir, se obtienen de ensayes de laboratorio triaxiales y de consolidación, pero, a manera preliminar, se pueden tomar de la tabla:
100 - 200 Arcillas (condición no drenada) 50 - 100 Limos y arcillas (condición drenada 70 - 150 Arena Ir Tipo de suelo

Método de Vesic
Baldi (1981), proponen obtener Ir en base a pruebas de penetración de cono:
I r = 300 / F r (%) para penetración mecánica de cono.
I r = 170 / F r (%) para penetración eléctrica de cono.
donde Fr, razón de fricción en prueba de cono:
= resistencia a la fricción/ resistencia de cono
= Fc/q c (100)

Método de Janbu par obtener Qp
Janbu (1976) propuso calcula Q p con:
Q p = A p ( c´N c * + q´N q * ), en base a una superficie de falla como la mostrada:

El factor N q * se obtiene de:
El factor Nc* = ( Nq* - 1 ) cot Ø ´
El ángulo η ´ varía de 60° en arcillas blandas a cerca de 105° en suelos arenosos densos. Para uso práctico, se recomienda que η varíe de 60° a 90°.

Método de Coyle y Castello (1981) para estimar Q p en arena
Q p = q´ N q * A p ;
Donde:
q´ es el esfuerzo vertical efectivo en la punta del pilote.
N q ´ factor de capacidad de carga
A p área de la sección transversal del pilote.

Método de Coyle y Castello

Método de Berezantsev (1961)
Este autor propone calcular Q p, como:
Q p = A p q´ N q ; en apoyos de arena.
donde N q es el factor de capacidad de carga obtenido en función del ángulo de resistencia al corte Ø´, y de la relación L / B
donde L, es la longitud del pilote dentro del estrato de apoyo ,y B el ancho del pilote.

Método de Berezantsev

Método de Berezantsev, en arcillas
Para arcillas, donde Ø´= 0, el valor de Q p
se obtiene de:
Q p = A p ( c´N c + q´ )
N c es el factor de capacidad de carga.

Método de Berezantsev, en arcillas

Berezantsev
En el caso de que el apoyo sea cohesivo y friccionante, la resistencia por punta es:
Q p = A p ( c´ N c + q´ N q )
Donde N c y N q se obtienen de las gráficas anteriores, respectivamente.

Otras relaciones para obtener la capacidad por punta de un pilote en función de la resistencia a la penetración estándar

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Cimentaciones Profundas 1

by Humberto Castañeda

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