Mecanica de suelos aplicada a cimentaciones y vias de transporte

Mecanica de suelos aplicada a cimentaciones y vias de transporte

CIMENTACION POR PILARES O PILASINTRODUCCIONEn ocasiones, cuando comenzamos a realizar la excavacin para la ejecucin de una obra, podemos encontrarnos diversas dificultades para encontrar el estrato resistente o firme donde queremos cimentar, o simplemente se nos presenta la necesidad de apoyar una carga aislada sobre un terreno sin firme o difcilmente accesible por mtodos habituales.En estos casos se recurre a la solucin de cimentacin profunda, que se constituye por medio de muros verticales profundos los muros pantalla o bien a base de pilares perforados en el terreno. En cualquier caso el objetivo es adoptar una solucin constructiva que rena las siguientes condiciones: Facilidad en la ejecucin Garanta en el comportamiento resistenteCuando la relacin que existe entre la profundidad y el ancho de la base de un cimiento es mayor que 5, calificamos a la cimentacin como profunda.Denominamos pilares a un soporte normalmente de hormign armado de una gran longitud en relacin a su seccin transversal que puede construirse in situ en una cavidad abierta en el terreno. Constituye un sistema constructivo de cimentacin profunda al que denominaremos, cimentacin por pilares.DEFINICIONES En la ingeniera de cimentaciones el trmino pila o pilares se define como un miembro estructural subterrneo que tiene la funcin que cumple una zapata, es decir transmitir las cargas que soporta al suelo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relacin de la profundidad de la cimentacin con respecto a la base de las pilas es por lo general mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relacin es menor que la unidad. Las pilas son elementos estructurales colados en situ, que presentan una seccin trasversal considerable y que se encargan de transmitir la carga proveniente de la superestructura (edificacin, puente, etc), a un estrato que sea capaz de soportarla. La relacin entre la profundidad de cimentacin y el ancho de la pila es generalmente mayor que cuatro. Las pilas son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. Las pilas tiene usualmente seccin transversal circular u oblonga y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. Segn el RNE E-050, articulo 27 nos indican que los pilares son elementos estructurales de concreto vaciados in situ con dimetro mayor a 1 m, con o sin refuerzo de acero y con o sin fondo ampliado.

CARACTERISTICAS Los pilares se fabrican directamente en el subsuelo por los que se les conoce como elementos fabricados en situ.

Figura 01: Pilares Fabricados en Situ

Los pilares tienen usualmente seccin transversal circular u oblonga y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. Su dimetro vara entre 0.8 y 3.0 m.

Figura 02: Pilares de Forma Circular

Pueden resistir cargas axiales superiores a las 500 Ton e incluso alcanzan las 1000 Ton. Su altura promedio es de 35 m. pudiendo construirse baja el nivel fretico. Soportan cargas horizontales e inclinadas, con buena resistencia a flexin. Su construccin no afecta los edificios circundantes, pues no se producen vibraciones por lo cual se pueden ubicar prximas a linderos.

Figura 04: Tipos de armaduras dentro de los Pilares

Se pueden presentar dos opciones en la armadura transversal: La solucin A con los cercos tradicionales separados una distancia S segn la figura que se muestra a continuacin y la solucin B mediante una armadura transversal helicoidal. La armadura transversal ir atada o soldada en todos los cruces con la principal.

TIPOS DE PILARESLas pilas perforadas se clasifican de acuerdo con la manera en que se disean para trasferir la carga estructural al suelo, y son las siguientes:PILA PERFORADA RECTAExtendida a travs de la capa superior de suelo pobre y su punta descansa sobre un estrato de suelo o roca con capacidad de carga.

Figura 05: Pilar perforada recta

PILA ACAMPANADA: Consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre un suelo resistente. La campana se construye con forma de domo o de escarpio. Para campanas de escarpio, las herramientas o cortadores comercialmente disponibles forman ngulos de 30 a 45 con la vertical.

Figura 06: Pilar Acampanada

PILA EMPOTRADA EN ROCALos pilares rectos tambin se extienden hasta estrato de roca. En el clculo de la capacidad de carga de tales pilares, el esfuerzo cortante y el de carga desarrollados a lo largo del permetro de la pila y en la interfaz con la roca deben tomarse en consideracin, sito de lograr la estabilidad del conjunto.PARTES DE UNA CIMENTACION POR PILARES Soporte o pilar : Elemento estructural vertical , que arranca del encepado Encepado: Pieza prismtica de hormign armado similar a una zapata aislada, encargado de recibir las cargas del soporte y repartirlas a los piares. Vigas riostras: Elementos de atado entre encepados. Son obligatorias en las dos direcciones si el encepado es de un solo pilar. En encepados de dos piares es obligatorio el arriostramiento en al menos una direccin, la perpendicular a la direccin de su eje de menor inercia. Fuste del pilar: Cuerpo vertical longitudinal del pilar. Las cargas son transmitidas al terreno a travs de las paredes del fuste por efecto de rozamiento con el terreno colindante. Campana: Extremo inferior del pilar. Transmite las cargas por apoyo en el terreno o estrato resistente Terreno Circundante

Figura 07: Partes de un Pilar

Los pilares pueden alcanzar profundidades superiores a los 40 mts teniendo una seccin transversal mayores a 1m. Pudiendo gravitar sobre ellos una carga de 1000 Tn La eficacia de un pilar depende de: El rozamiento y la adherencia entre el suelo y el fuste del pilote La resistencia por punta en el caso de transmitir compresiones ante posibles esfuerzos de traccin, se puede ensanchar la parte inferior del pilar de forma que trabaje el suelo superior. La combinacin de las dos anterioresAPLICACIONESEl empleo de cimentaciones mediante pilares est indicado en los siguientes casos: Cuando la carga transmitida por las estructuras no puede ser distribuida en el terreno de forma uniforme mediante el empleo de sistemas de cimentacin directa como zapatas o losas. Cuando el nivel del firme no puede ser alcanzado de forma sencilla o se encuentra a gran profundidad Cuando los estratos superiores del terreno son poco consistentes hasta cotas profundas , contienen gran cantidad de agua o bien se necesita cimentar por debajo del nivel fretico Cuando se prevea que los estratos inmediatos a la superficie de cimentacin pueden determinar asientos imprevisibles de cierta importancia Si se quiere reducir o limitar los posibles asientos de la edificacinMETODOS DE DISEOMETODO CHICAGOPara ste, se excavan manualmente agujeros circulares con dimetros de 3.5 pies (1.1 m) o mayores a profundidades de 2-6 pies (0.6-1.8 m). Los lados del agujero excavado se forran entonces con tablones verticales, mantenidos firmemente en su posicin por dos anillos circulares de acero. Despus de colocar los anillos, la excavacin se contina por otros 2-6 pies (0.6-1.8 m). Cuando se alcanza la profundidad deseada, se procede a excavar la campana. Cuando se termina la excavacin, el agujero se rellena con concreto.

METODO GOW:

En el mtodo Gow de construccin el agujero se excava a mano. Forros metlicos telescpicos se usan para mantener el barreno. Los forros son retirados uno a la vez conforme avanza el colado. El dimetro mnimo de una pila perforada Gow es de aproximadamente 4 pies (1.22 m). Cualquier seccin del forro es aproximadamente 2 pulgs (50 mm) menor en dimetro que la seccin inmediatamente arriba de ella. Pilas de hasta 100 pies (30 m) se logran con este mtodo.

La mayor parte de las excavaciones se hace ahora mecnicamente y no a mano. Las barrenas helicoidales son herramientas comunes de excavacin, que tienen bordes o dientes cortantes. Aquellas con bordes cortantes se usan principalmente para perforar suelos blandos y homogneos; aquellas con dientes cortantes se usan en suelos o lechos duros. La barrena se conecta a una flecha cuadrada llamada Kelly que se hinca en el suelo y se hace girar. Cuando la hlice est llena con suelo, la barrena se levanta por arriba de la superficie del terreno y el suelo se descarga haciendo girar la barrena a alta velocidad. Esas barrenas se consiguen en varios dimetros; a veces son tan grandes como 10 pies (3 m) o mayores.Cuando la excavacin se extiende hasta el nivel del estrato de carga, la barrena se reemplaza, en caso necesario, por herramientas ensanchadoras para formar la campana.

Un trpano ensanchador consiste esencialmente en un cilindro con dos hojas cortadoras articuladas a la parte superior del cilindro (figura 10.3). Cuando el trpano se baja en el agujero, las hojas cortadoras permanecen plegadas dentro del cilindro. Cuando se alcanza el fondo del agujero, las hojas se despliegan hacia afuera y se hace girar el trpano. El suelo suelto cae dentro del cilindro que es elevado y vaciado peridicamente hasta que se termina de formar la campana. La mayora de los trpanos llegan a cortar campanas con dimetros tan grandes como tres veces el dimetro de la flecha.

Otro dispositivo cortador muy comn es el taladro tipo cucharn. Se trata esencialmente de un cucharn con una abertura y bordes cortantes en el fondo. El cucharn se une al Kelly y se hace girat El suelo suelto se recoge en el cucharn que es elevado y vaciado peridicamente. Agujeros de hasta 160 18 pies (5-5.5 m) de dimetro se perforan con este tipo de equipo.

Cuando se encuentra roca durante la perforacin, se usan barriles de extraccin con dientes de carburo de tungsteno. Los barriles de granalla tambin se usan para perforar en roca muy dura. El principio de extraccin de roca por medio de un barril de granalla se muestra en lafigura 10.4. EJ vstago de perforacin se conecta a la placa del barril de granalla, el cual tiene algunas ranuras a travs de las cuales se suministran granallas de acero al fondo del agujero perforado. Las granallas cortan la roca cuando el barril es girado. A travs del vstago se suministra agua al agujero perforado. Las partculas finas de roca y acero (producidas por el molido de las granallas) son lavadas hacia arriba y se asientan en la parte superior del barril.

La mquina Benotc es otro tipo de equipo perforador generalmente usado cuando las condiciones de perforado son difciles y se encuentran muchos boleos en el suelo. Consiste esencialmente en un tubo de acero que oscila y se empuja en el suelo. Una herramienta llamada cuchara perforadora, provista con hojas y quijadas cortadoras, se usa para romper el suelo y la roca dentro del tubo y luego retirarlos.

EQUIPOS DE CONSTRUCCION

La oferta de maquinaria existente en el mundo para la construccin de cimentaciones profundas es sumamente extensa, ya que actualmente podemos identificar un nmero considerable de empresas con una gran variedad de modelos diferentes y dedicadas a la construccin de este tipo de cimentaciones. Con fines de mayor claridad, se describir el equipo de maquinaria bsico y ms utilizado en Mxico, con el objeto de tener clara la aplicacin de cada uno de stos en los diferentes procedimientos constructivos.Para efectos de ejemplificacin, se muestran aleatoriamente equipos de diversos fabricantes que se consideran representativos.El equipo necesario para la construccin adecuada de las pilas en sus diferentes etapas, es el siguiente:

Equipo de perforacin

- Perforadoras rotatorias

- Perforadoras de circulacin inversa

- Perforadoras por percusin

- Almejas

Gras

Herramientas de perforacin

Equipo menor y auxiliar

- Vibrohincadores

- Desarenadores

- Equipos para fabricacin de lodo bentontico

- Soldadoras

- Bombas

Puesto que las situaciones y condiciones en las que cada obra se desarrolla son distintas entre s, la variacin de los recursos disponibles en el entorno y la variacin de las caractersticas del subsuelo en el que se ejecutar la obra, tambin lo son. Esto influye directamente en la logstica, desde la produccin (rendimiento), hasta los procedimientos ms especializados. Es por esto que la seleccin del equipo adecuado para las condiciones especficas de cada proyecto juega un papel fundamental en todo el procedimiento constructivo, no slo de la construccin de pilas de cimentacin profunda, sino en la construccin en general.

1.1.1 EQUIPO DE PERFORACIN

El equipo de perforacin es una parte vital en el xito de la construccin de pilas de cimentacin, y para la correcta seleccin de ste se deben analizar las especificaciones de proyecto. En ste se describen las caractersticas y propiedades del subsuelo, o en su defecto, se indican las consideraciones que se tienen que hacer respecto al mismo, ya sea la implementacin de estudios, la referencia a estudios preexistentes o la adjudicacin total de responsabilidades al cliente.

La eleccin de la mquina perforadora est en funcin de las siguientes variables:

Las propiedades de los diferentes estratos por los que atravesar la perforacin. Esto influye directamente en los rendimientos esperados, pues las fuerzas necesarias para perforar un suelo no sern las mismas que las necesarias para perforar roca.La profundidad de excavacin. Existen diferentes sistemas de trabajo en los equipos de perforacin existentes, sin embargo, todos tienen un lmite en su capacidad que depende del alcance fsico de la herramienta de ataque, del procedimiento constructivo y del tipo de material excavado.Dimetro de perforacin. Los equipos especializados y la herramienta de perforacin existentes para la ejecucin de perforacin de pilas, tienen diferentes lmites mximos del dimetro, los cuales son indicados por el fabricante.El rea o espacio disponible en el lugar de ejecucin. Las mquinas de perforacin, como la mayora del equipo de construccin mediano y mayor, necesita de cierto espacio libre de maniobra para funcionar correcta y eficazmente.Los recursos econmicos. Hoy por hoy existen en el mercado una considerable cantidad de equipos de perforacin; no obstante, no todos los ellos tienen las mismas caractersticas de calidad y precisin, habindolos en consecuencia, de distintos valores econmicos.

Perforadoras rotatorias

El constructor como especialista en la materia tiene la obligacin de conocer y/o investigar los datos necesarios para la correcta ejecucin y comportamiento de la obra. Las perforadoras rotatorias son las ms recurridas en la construccin de pilas, ya que los mtodos aplicables en la mayora de los suelos, fuera de condiciones muy especficas, son ejecutados con este tipo de mquinas. Dentro del grupo de las perforadoras rotatorias, se encuentran las perforadoras con sistema de kelly y las de hlice continua (a estas ltimas es comn llamarlas CFA en el argot de la construccin, por sus siglas en ingls: Continuous Flight Auger).

Perforadoras con sistema de Kelly

La maquinaria de perforacin con kelly (kelly bar: barretn), (ver Fig. 2) es aplicada en la construccin de pilas en general, de pequeos y grandes dimetros y pequeas y grandes profundidades. Dependiendo de sus funciones, la pilas pueden ser de concreto reforzado (con jaulas de acero, perfiles metlicos, mixtos y otros), para mejoramiento de suelo, pilas de compresin (sin acero de refuerzo), pozos de bombeo, de filtracin, entre otros.

Fig. 2. Perforadora rotatoria con sistema de kelly (BAUER)

La perforacin con perforadoras rotatorias con kelly es llamada de esta manera gracias a que el kelly, o barretn, es la pieza clave para este mtodo de perforacin, el cual, como se describe ms adelante, es una barra telescpica que transmite el torque suministrado por la rotaria (tambin llamada mesa rotatoria), a la herramienta de corte. Dicha rotaria est acoplada al mstil o torre, sobre el cual sedesliza. Este mstil est firmemente unido a la mquina portante y, en conjunto con las poleas, malacates y cables, proporcionan la fuerza necesaria para llevar acabo su funcin.

Con este equipo de perforacin el suelo que est siendo excavado es cortado y removido a travs de la aplicacin de un empuje vertical y al mismo tiempo una fuerza de rotacin (torque). Existen los equipos de perforacin con kelly con mquina portante propia, de perforacin con kelly montado sobre gra y perforacin con kelly sobre camin (ver Fig.4); cabe mencionar que las ms socorridas son las de mquina portante propia sobre orugas, pues tienen la mayor capacidad de torque y robustez. Sus componentes principales se ilustran en la Fig.3.

Fig. 3. Partes principales de perforadora rotatoria con sistema de kelly y mquina base propia (Hudelmaier and Kfner 2009) Mecanica de suelos aplicada a cimentaciones y vias de transporte

PILAS O PILARES

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Fig. 4. Izquierda: Perforadora rotatoria con sistema de kelly montada sobre camin(Spiradrill); Derecha: Perforadora rotatoria con sistema de kelly montada en gra

Perforadoras con hlice contina

Las perforadoras rotatorias con hlice continua poseen un tornillo sin fin de longitud equivalente a la de la profundidad a perforar, el cual va unido a la rotaria, y sta, al deslizarse a lo largo del mstil con fuerzas de empuje vertical y rotacin simultneas, introduce la hlice en el subsuelo hasta la profundidad de proyecto La extraccin de la hlice se hace sin giro alguno; sta y el material alojado en toda su longitud, son extrados de manera cuidadosa, ya que el mismo concreto o mortero es introducido a travs del alma de la hlice de manera que el hueco dejado por la hlice y el suelo extrados, sea rellenado por dicho material. Para aplicar este mtodo de perforacin es necesario contar con equipos que proporcionen una gran capacidad de fuerza de extraccin y de torque, ya que son requeridas para poder excavar, como ya se mencion, de manera continua la perforacin, venciendo la alta friccin que se produce entre la hlice y el suelo y para soportar el peso que representa el material excavado junto con la hlice. Todas las fuerzas de tensin, compresin y torsin que se presentan a lo largo del proceso deben ser disipadas o absorbidas por el mstil, que a su vez las transmite a la mquina base, dndole estabilidad al conjunto; es por eso que para este mtodo de perforacin se necesitan mquinas considerablemente robustas y pesadas.Como se describe en la parte de Procedimientos de Perforacin, la aplicacin de este mtodo se traduce en un alto ahorro de tiempos y maniobras, lo que representa una satisfactoria relacin costo-beneficio en la produccin de pilas de cimentacin.Las partes principales de la mquina perforadora con hlice continua se ilustran

Fig. 6. Partes principales de perforadora rotatoria con hice contnua (Hudelmaier and Kfner 2009)

Perforadoras de circulacin inversa

Este tipo de equipos opera con el sistema o principio air-lift, el cual fue ideado en sus principios para el desarrollo de pozos de agua y ahora se ha convertido en un mtodo aplicable en perforacin de pilas, principalmente en presencia de agua y a grandes profundidades. Estos equipos pueden alcanzar profundidades mayores a los 100 m. El sistema de perforacin para grandes profundidades normalmente consiste en una unidad perforadora, barras de perforacin y herramientas de corte; adicionalmente se debe contar con un compresor y una planta de lodo/fluido. Estabilizador. La unidad perforadora conduce la accin de giro a las barras de perforacin, las cuales a su vez la transmiten a la herramienta de corte (cabeza cortadora) Fig. 7. El sistema air-lift consiste en introducir aire comprimido en el extremo inferior de la tubera de perforacin, donde se produce un efecto de succin y entonces el material producto de corte, en suspensin, es transportado hacia la superficie. Por arriba de la unin entre la herramienta de corte se inyecta el aire comprimido y, a travs de orificios especiales que posee dicha herramienta, se produce el flujo del material hacia la superficie.

La caracterstica principal de este sistema es el transporte o extraccin continua del material perforado; es decir, la mezcla fluido-suelo es empujada desde el fondo hacia la superficie a travs de la tubera de perforacin.

Fig. 7. Partes de perforadora de circulacin inversa (Paniagua Z. and Paredes n.d.)

Perforadoras por percusin

La perforacin por percusin (Fig. 8) es un mtodo poco usado en la perforacin de pilas de cimentacin, puesto que est diseado para penetrar importantes longitudes en roca y roca de alta resistencia. Existen de diversos tamaos, desde equipos tipo martillo que pueden ser manejados por un operador sin necesidad de equipo portante, hasta las mquinas que necesitan de una gra

o tracto camin para funcionar.

El sistema o mtodo de perforacin con este tipo de equipos, est basado en la desintegracin de la roca a travs de impactos repetidos con un cabezal, sobre la herramienta de corte. El equipo es literalmente hincado o amartillado en la roca, de manera que la destroce en pedazos. Los dimetros alcanzados por este equipo son muy limitados.

Almejas

Fig. 8. Perdoradora de percusin

Desde principios del siglo XIX se han usado excavadoras equipadas con almejas mecnicas para la ejecucin de obras civiles. Antes de que las perforadoras de alta eficiencia fueran creadas, las perforaciones eran hechas con la aplicacin de almejas mecnicas de excavacin (en excavaciones secas, es decir, sin un nivel de aguas fretico presente). Este mtodo de excavacin es cada vez ms usado en la construccin de ciertos tipos de cimentaciones profundas, gracias al desarrollo de gras cada vez ms potentes y almejas mejor diseadas. Hoy en da, los equipos de cada libre, como las almejas, son raramente utilizados en la construccin de pilas de Cimentacion, solo bajo condiciones muy especificas

Fig. 9. Almeja cilndrica

(LIEBHERR)

Cimentacin, slo bajo condiciones muy especficas, razn por la cual no se describir a gran detalle su procedimiento constructivo.La almeja para construccin de cimentaciones sigue el mismo principio que cualquier almeja (utilizada comnmente en la construccin de zanjas como muros Miln), funciona aflojando y extrayendo material del subsuelo y siempre necesita ser montada en una gra (Fig. 9).Su costo es considerablemente menor al de una perforadora rotatoria. Otro aspecto importante en su eleccin, es la composicin del suelo, pues este tipo de equipo podra penetrar o atravesar obstculos con la fuerza de su cada libre, como suelos con alto contenido de boleos.Con las almejas se pueden tambin excavar pilas de seccin rectangular, oblonga o combinacin de estas secciones.

Gras

Son mquinas que sirven para el levantamiento y manejo de objetos pesados, contando para ello con un sistema de malacates que acciona a uno de los varios cables montados sobre una pluma y cuyos extremos terminan en gancho. Para facilitar su funcin, la unidad motriz y los diferentes mecanismos de la mquina permiten girar alrededor de un eje vertical y a la pluma moverse en un plano vertical.Pueden ser fijas o mviles. Cuando la gra es mvil, puede trasladase por s misma, sobre orugas o ruedas dispuestas para tal

fin.

Fig. 10. Gra de pluma rgida(LIEBHERR)

Las plumas de las gras pueden ser rgidas (Fig. 10), cuando estn formadas por estructuras modulares (de tubo o de ngulo estructural), o bien telescpicas cuando estn formadas por elementos prismticos que deslizan unos dentro de otros. Estas ltimas no se mencionarn ms ya que su aplicacin es menos socorrida en al utilizacin de equipos de cimentaciones profundas.Las plumas rgidas se integran por una base que se apoya mediante articulacin en el cuerpo de la gra

Para la construccin de cimentaciones profundas se usan generalmente gras mviles de pluma rgida, aunque es importante puntualizar que cada proyecto es diferente, por lo que se tienen que estudiar los requerimientos de cada obra y las caractersticas del medio para la correcta eleccin del equipo.

Las gras tienen distintas funciones en el procedimiento constructivo de estos elementos de cimentacin profunda, bien sea para montar sobre ellas equipo especializado de las caractersticas que ms adelante se describen (en cuyo caso funcionarn como equipos portantes de almejas, vibrohincadores o la perforadora en s), o bien, para ejecutar maniobras especiales y necesarias durante la ejecucin de la obra (izaje del acero, colado de la pila con tubera Tremie, etc.)

La seleccin del tipo de gra depender de la funcin que el ingeniero planeador le asigne durante la construccin. Las variables que se toman en cuenta son:

Longitud de pila y densidad de acero. La longitud del armado de una pila de cimentacin es la variable primordial en la eleccin de la gra. La razn de esta importancia no slo reside en la capacidad de la gra para soportar o cargar las varias toneladas que un armado pueda pesar, sino las dificultades que pueda representar el manejo de un armado sin deformarlo o romperlo, dejndolo inservible y representando una prdida o costo en todo lo que conlleva (material, mano de obra, tiempo, etc.). Razn por la cual el conocimiento de la densidad de acero toma un papel importante en las maniobras de izaje, por ejemplo, es fcil inducir que no es lo mismo izar un armado para una pila de 10.0 m y 1.0 m de dimetro con una densidad de 200 kg/m3, que pesa 1.6 ton, que izar la misma pila, pero esta vez con una densidad de acero de 100 kg/m3 cuyo peso sera de 0.78 ton. Espacio disponible para movilidad. Esta variable slo depende del rea disponible en una obra para la movilidad del equipo, es decir, las gras necesitan de un espacio libre mnimo para maniobrar, como radios de giro, radio de izaje de la pluma, alcances, ancho de orugas, altura de cabina y plataformas de trabajo estables y capaces de soportar el peso del equipo completo ms la carga.

Vibrohincadores

Los vibrohincadores son equipos diseados para llevar a cabo el hincado o extraccin de ademes metlicos, tubos, perfiles de acero o tablestacas en el suelo, con la accin dinmica de un generador de vibraciones. El equipo est conformado por una fuente de poder o centralita, que es el generador de la potencia, formada por un motor de combustin interna, generalmente disel, que acciona un generador elctrico o bombaHidrulica.La segunda componente es el martillo, el cual es el cuerpo vibratorio en s, y contiene las mordazas hidrulicas que funcionan para sujetar el tubo, ademe o tablestaca durante su hincado o extraccin (ver Fig. 11). Hoy en da existen en el mercado vibrohincadores que permiten variar la frecuencia y amplitud de la vibracin, lo cual mejora la velocidad de penetracin.El procedimiento para el hincado de un ademe metlico, inicia cuando el martillo vibrohincador se amordaza a los bordes superiores del mismo. Despus de que las mordazas hidrulicas lo tienen asegurado, se posiciona verticalmente sobre el sitio indicado y comienza la vibracin y la penetracin hasta la profundidad de proyecto. El hincado se realiza por medio de la vibracin, el peso propio del ademe y el peso propio del martillo vibrohincador.

Desarenadores

Los desarenadores son empleados para la remocin de partculas de suelo en los lodos de perforacin y en la desarenacin de los fluidos o lodos de estabilizacin utilizados en la construccin de cimentaciones profundas. Los lodos pueden ser de agua-bentonita, agua-polmero, agua-cemento y bentonita en suspensin.Lo principales componentes de una planta desarenadora son: la malla vibratoria, para retener partculas mayores de 5.0 mm; el tanque de almacenaje de la malla vibratoria; hidrociclones, los cuales remueven las partculas ms finas en suspensin; la malla de deshidratacin, la cual abstrae el agua de los slidos separados por el hidrocicln. Esto se muestra en la Fig. 12.

Fig. 12. Desarenador (BAUER Maschinen 2011)

Mezcladoras para fabricacin de lodos estabilizadores

Los sistemas y equipos que se utilizan para el mezclado estn integrados por una o varias bombas que permiten recircular el lodo. Los tipos de mezcladores ms comunes son los de chifln y los coloidales; aunque actualmente los hay de mezclado de alta frecuencia.

En el primer y segundo caso, es importante y recomendable que la bentonita tenga un estado de reposo previo al mezclado, con la finalidad de que la hidratacin mejore la viscosidad y el agua libre disminuya. En el tercer caso el lodo producido ya est hidratado y puede ser utilizado de manera inmediata.

Osciladoras

Fig. 13. Osciladora

(LIEBHERR)

La osciladora, o entubadora, es un accesorio que se utiliza especialmente para el manejo de ademe metlico (Fig. 13); poseen una capacidad de torque y de fuerzas de empuje/extraccin mucho mayores que las de las perforadoras; su aplicacin ocurre, por lo general, cuando la capacidad de las perforadoras no les permite manejar los ademes a la profundidad que el proyecto requiere. Su funcionamiento requiere de una fuente de poder hidrulica, ya sea independiente (centralina) o proveniente de la base de las perforadoras. Consiste de dos aros de gran robustez, uno superior y otro inferior; en el superior existen unas mordazas las cuales aprisionan al ademe mediante unos gatos hidrulicos. A este collar o anillo se le producen oscilaciones alternadamente hacia la derecha e izquierda, por medio de dos gatos hidrulicos ubicados horizontalmente uno a cada lado del collar; otros dos gatos hidrulicos verticales que unen los dos aros, superior e inferior, actan simultneamente produciendo grandes fuerzas de empuje o extraccin, segn sea el caso; estos gatos tienen una carrera del vstago de unos 40 a 60 cm, que son el avance, empuje o extraccin, del ademe por cada ciclo.La entubadora puede ser operada directamente desde la mquina portante o mediante su propio control de mando; en cualquiera de los casos es posible para el operador dirigir simultneamente a la rotaria y al oscilador de ademes, permitiendo realizar la perforacin y el hincado del ademe simultneamente.Existen dos tipos de osciladoras: para conectarse a gras tipo celosa, para trabajar con perforadoras montadas en ellas (cranes attachment) o utilizando almejas cilndricas; y las que se conectan a las perforadoras rotatorias.

Adaptadores para ademes

El adaptador para ademes (Fig. 14), es un accesorio que es instalado en la rotaria y sirve para tomar el ademe, o tramos de ademe, y acoplarlos entre s conforme se va avanzando en la perforacin ademada. Pero su principal funcin es transmitir el pull/down (fuerza de empuje y extraccin) y el torque de la mquina perforadora al ademe. Estos elementos, al igual que los ademes, tienen especificaciones y caractersticas muy especiales, por ejemplo, deben de estar diseados para soportar y absorber los torques mximos del sistema de rotacin. En el extremo inferior se le suelda una junta tipo hembra que debe embonar con la junta macho del ademe.Barretn o Kelly

Fig.15. Partes de barretn o kelly(Hudelmaier and Kfner 2009)

Es un accesorio de la perforadora, el cual consiste de un cuerpo compuesto por varias camisas (de dos a cinco), insertadas unas en otras, las cuales forman un barretn o kelly telescpico (camisa exterior, camisas intermedias y camisa interior). Los hay de friccin y de bloqueo mecnico; estos ltimos son los que ofrecen las mejores ventajas, ya que con el sistema de rotacin transmiten el torque y el empuje vertical a la herramienta de ataque. El kelly es suspendido con un malacate de la misma perforadora. El nmero de secciones telescpicas y la suma de sus longitudesindividuales determinan el alcance de perforacin

PROCESO CONTRUCCTIVOLas pilas son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. Las pilas tienen usualmente seccin transversal circular u oblonga como muestra la figura 12.25 y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. Su dimetro vara entre 0,8 y 2,2 m. Las caractersticas de las pilas y sus ventajas se enumeran a continuacin:

Pueden resistir cargas axiales superiores a las 500 t e incluso alcanzan las 1.000 t Su altura promedio es de 35 m, pudiendo construirse bajo el nivel fretico Soportan cargas horizontales e inclinadas, con buena resistencia a flexin Su construccin no afecta los edificios circundantes, pues no se producen vibraciones por lo cual se pueden ubicar prximas a linderos El lapso de servicio es prcticamente ilimitado, aun en medios agresivos, tal como ocurre con las construcciones costeras, o en pilas de puentes sobre ros. Transfieren las cargas a estratos profundos, lo cual es especialmente ventajoso cuando existe el peligro de socavacin por las corrientes fluviales y martimas, o las mareas. Pueden construirse sin cabezales, o con cabezales de reducidas dimensiones Las pilas, en forma similar a los pilotes, pueden ser excavadas o perforadas, y trabajan por punta o friccin lateral. Si las pilas descansan en roca dura, solo se toma en cuenta su resistencia por punta, como una columna o pilar de grandes dimensiones, desprecindose su resistencia por friccin lateral. Pero cuando el suelo es homogneo de gran profundidad, la resistencia a friccin alcanza magnitudes importantes. Debido a sus grandes dimensiones, las pilas suelen sufrir asentamientos, los cuales suelen controlar el diseo. Para construir las pilas excavadas existen tres mtodos diferentes: Mtodo en seco Mtodo con camisa Mtodo del lodo natural o bentnico

Diseo Estructural de Pilas Para el dimensionamiento de las pilas debe considerarse la carga que resulte mayor de las siguientes condiciones: Condiciones estticas: Que contempla la combinacin de la carga permanente ms la carga viva mxima, afectadas por un factor de carga de 1.4 Condiciones dinmicas: Toma en cuenta la combinacin de las cargas permanentes ms la carga viva instantnea y la accin accidental ms crtica (este incremento de esfuerzo es provocado por el momento de volteo debido al sismo), afectadas por un factor de carga de 1.1.

PROCESO CONSTRUCTIVO DE PILAS DE CIMENTACIONEl procedimiento constructivo es similar a los de los pilotes.El ltimo mtodo consiste en excavar las pilas con mquinas perforadoras provistas con barrenos.

Estas excavan hasta lugares donde el suelo lo permita sin derrumbarse

Cuando se alcanza la profundidad necesaria o se llega a un estrato cohesivo, se detiene la excavacin y se inserta un tubo llamado camisa (o ademe).

Este tubo permite seguir excavando y evitar que el suelo se derrumbe dentro de la excavacin

Se introduce el refuerzo,

Por ltimo se funde el concreto recordando retirar la camisa.

PILAS PERFORADAS PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCINUno de los mtodos ms viejos de construccin de pilas perforadas es el mtodo Chicago (figura 10.2a). Para ste, se excavan manualmente agujeros circulares con dimetros de 3.5 pies (1.1 m) o mayores a profundidades de 2-6 pies (0.6-1.8 m). Los lados del agujero excavado se forran entonces con tablones verticales, mantenidos firmemente en su posicin por dos anillos circulares de acero. Despus de colocar los anillos, la excavacin se contina por otros 2-6 pies (0.6-1.8 m). Cuando se alcanza la profundidad deseada, se procede a excavar la campana. Cuando se termina la excavacin, el agujero se rellena con concreto.

En el mtodo Gow de construccin (figura 10.2b), el agujero se excava a mano. Forros metlicos telescpicos se usan para mantener el barreno. Los forros son retirados uno a la vez conforme avanza el colado. El dimetro mnimo de una pila perforada Gow es de aproximadamente 4 pies (1.22 m). Cualquier seccin del forro es aproximadamente 2 pulgs (50 mm) menor en dimetro que la seccin inmediatamente arriba de ella. Pilas de hasta 100 pies (30 m) se logran con este mtodo. La mayor parte de las excavaciones se hace ahora mecnicamente y no a mano. Las barrenas helicoidales son herramientas comunes de excavacin, que tienen bordes o dientes cortantes. Aquellas con bordes cortantes se usan principalmente para perforar suelos blandos y homogneos; aquellas con dientes cortantes se usan en suelos o lechos duros. La barrena se conecta a una flecha cuadrada llamada Kelly que se hinca en el suelo y se hace girar. Cuando la hlice est llena con suelo, la barrena se levanta por arriba de la superficie del terreno y el suelo se descarga haciendo girar la barrena a alta velocidad. Esas barrenas se consiguen en varios dimetros; a veces son tan grandes como 10 pies (3 m) o mayores. Cuando la excavacin se extiende hasta el nivel del estrato de carga, la barrena se reemplaza, en caso necesario, por herramientas ensanchadoras para formar la campana. Un trpano ensanchador consiste esencialmente en un cilindro con dos hojas cortadoras articuladas a la parte superior del cilindro (figura 10.3). Cuando el trpano se baja en el agujero, las hojas cortadoras permanecen plegadas dentro del cilindro. Cuando se alcanza el fondo del agujero, las hojas se despliegan hacia afuera y se hace girar el trpano. El suelo suelto cae dentro del cilindro que es elevado y vaciado peridicamente hasta que se termina de formar la campana. La mayora de los trpanos llegan a cortar campanas con dimetros tan grandes como tres veces el dimetro de la flecha.

Figura de un trepano ensanchadorOtro dispositivo cortador muy comn es el taladro tipo cucharn. Se trata esencialmente de un cucharn con una abertura y bordes cortantes en el fondo. El cucharn se une al Kelly y se hace girar El suelo suelto se recoge en el cucharn que es elevado y vaciado peridicamente. Agujeros de hasta 160 18 pies (5-5.5 m) de dimetro se perforan con este tipo de equipo. Cuando se encuentra roca durante la perforacin, se usan barriles de extraccin con dientes de carburo de tungsteno. Los barriles de granalla tambin se usan para perforar en roca muy dura. El principio de extraccin de roca por medio de un barril de granalla se muestra en la figura 10.4. EJ vstago de perforacin se conecta a la placa del barril de granalla, el cual tiene algunas ranuras a travs de las cuales se suministran granallas de acero al fondo del agujero perforado. Las granallas cortan la roca cuando el barril es girado. A travs del vstago se suministra agua al agujero perforado. Las partculas finas de roca y acero (producidas por el molido de las granallas) son lavadas hacia arriba y se asientan en la parte superior del barril.La mquina Benotc es otro tipo de equipo perforador generalmente usado cuando las condiciones de perforado son difciles y se encuentran muchos boleos en el suelo. Consiste esencialmente en un tubo de acero que oscila y se empuja en el suelo. Una herramienta llamada cuchara peforadora, provista con hojas y quijadas cortadoras, se usa para romper el suelo y la roca dentro del tubo y luego retirarlos.

TIPOS DE PILAS PERFORADASLas pilas perforadas se clasifican de acuerdo con la manera en que se disean para transferir la carga estructural al subsuelo. La figura 10.1a muestra una pila perforada recta, extendida a travs de la capa superior de suelo pobre y su punta descansa sobre un estrato de suelo o roca con capacidad de carga. El barreno debe revestirse con acero cuando se requiera (como en el caso de los pilotes de concreto colados in situ revestidos; figura 9.4). Para tales pilas, la resistencia a la carga aplicada se desarrolla en la punta y tambin como resultado de la friccin lateral en el permetro de la pila y la interfaz con el suelo.

FIGURA 10.1 Tipos de pilas perforadas:(a) pila recta; (b) y (c) pila acampanada; (d) pila recta empotrada en roca.Una pila acampanada (figura 10.lb y c) consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre un suelo resistente. La campana se construye con forma de domo (figura 10.lc) o de escarpio. Para campanas de escarpio, las herramientas o cortadores comercialmente disponibles forman ngulos de 30 a 450 con la vertical. Para la mayora de las pilas perforadas construidas en Estados Unidos, la capacidad total de carga se asigna solamente a la carga en la punta, sin embargo, bajo ciertas circunstancias tambin se considera la resistencia por friccin. En Europa siempre se consideran ambas contribuciones. Los pilotes rectos tambin se extienden hasta un estrato de roca (figura 10.ld). En el clculo de la capacidad de carga de tales pilas, el esfuerzo cortante y el de carga desarrollados a lo largo del permetro de la pila y en la interfaz con la roca deben tomarse en consideracinCARACTERISTICAS:-Las pilas se fabrican directamente en el subsuelo por los que se les conoce como elementos fabricados in situ-Las pilas pueden fabricarse prcticamente de cualquier material, siendo los ms utilizados la grava, la cal, el mortero, y el concreto armado. Siendo las caractersticas de los estratos del subsuelo, as como las condiciones del agua subterrnea, definirn el material que deber emplearse para la fabricacin de las pilas.-La seccin utilizada con mayor frecuencia es la circular, cuyo dimetro no debe de ser menor a 60cm pudiendo llegarse a especificar un dimetro hasta de 300cm-Existen pilas que se disean con secciones rectangulares, T y HPILOTES Y PILAS: Inspeccin que se debe hacerLimpieza inadecuada del fondo de la excavacin o paredes de la excavacin con material removido y suelto

Desprendimientos del material de las paredes o de la superficie y segregacin por el no uso del tremie.

Falla del confinamiento lateral de una perforacin por la excavacin de otra adyacente y vaciado con nivel fretico alto.

Problemas durante la remocin de las camisas o forros de perforacin, tales como vacios y disminucin de la friccin lateral.

Eleccin del tipo de puente y pila Entre todas las soluciones posibles cmo ha de elegirse el mejor proyecto de puente para un caso particular? En la prctica el planteamiento del proyecto de los cimientos -pilas y estribos- y de la superestructura constituye un problema general en el que cada parte est influenciada y depende de cierta forma por las otras. En primer lugar el puente ha de tener cierta capacidad y resistencia para satisfacer el trfico que transita, adems deber de ser la ms apropiada, econmica, factible para su construccin y tendr que satisfacer ciertas caractersticas estticas y de vida til. Entre las cosas ms importantes que deben tomarse en cuenta para la eleccin de las caractersticas bsicas de la estructura y cimentacin de un puente, figuran las siguientes: 1. Los grandes claros horizontales y verticales necesarios para la navegacin (cuando el puente cruza un brazo de mar o ro) pueden afectar el planteamiento del proyecto de tal manera que nicamente son factibles las estructuras de tramos largos y altos.2. Es posible que se requiera una estructura de gran altura y con trfico continuo, por lo que es conveniente utilizar algunos puntos altos de cimentacin y de tramos altos.3. Los accesos largos y elevados pueden resultar mucho ms costosos que es posible que convenga ms una estructura de un nivel ms bajo y un tramo o tramos mviles. 4. Los puentes de tablero superior proporcionan una mejor vista del paisaje que los de tablero inferior, especialmente en los puentes carreteros de manera que, si los claros verticales no son importantes para tramos de igual longitud, los arcos y/o vigas rectas de los puentes de tablero superior resultan ms econmicas que las de tablero inferior adems, se requieren pilas ms pequeas. 5. Debe tomarse en cuenta la eleccin del material para la construccin, ya sea concreto o acero, ya que cada uno, adems del costo, es particularmente apto para ciertos tipos de estructura.6. La topografa del terreno influye claramente en el diseo de la cimentacin y en algunos casos puede ser de utilidad en la construccin de la misma. 7. La cantidad de fondos disponibles para el proyecto, si bien puede condicionar muchas de las acciones del ingeniero, no es una excusa para que se deje de lado la seguridad de la obra, antes, durante y despus de su construccin8. El tipo de trfico tambin puede ser una limitante en el diseo de la estructura, por ejemplo un puente ferroviario requiere de una estructura rgida, de manera que es ms aconsejable el empleo de vigas robustas y pilas adecuadas9. Las preferencias personales del propietario, del arquitecto y las del propio ingeniero pueden tener gran importancia al hacer la eleccin. Es importante mencionar que, para estimar las cargas que han de utilizarse en el anlisis preliminar de las pilas y estribos debern considerarse bsicamente tres tipos de cargas: a. Cargas muertas o peso propio de la estructura. b. Cargas vivas o variables, como son el paso de los vehculos a ciertas horasc. Cargas accidentales, como las fuerzas ssmicas, de viento, oleaje y nieve. d. Cargas imprevistas como impactos y explosiones. 10. Hay pilas huecas, macizas, dobles y de variadas formas, todas ellas segn las necesidades del constructor sin embargo, la eleccin de una u otra forma de pila trae consigo ciertos problemas constructivos, sobre todo si se van a utilizar en puentes martimos, pues el oleaje intenso, las mareas y la sola presencia del agua son obstculos difciles de superar y en ocasiones es necesario utilizar equipo especializado para la excavacin e hinca de ciertos tipos de pilas.VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS Considerando que las pilas son elementos fabricados in situ, no requieren de area adicional para una planta de fabricacion y para su almacenamiento como elementos terminados. La construccio de pilas perforadas utiliza generalmente equipo movil bajo condicion apropiada del suelo resutla mas economica que los metodos usados para la construccion de cimentacion de pilotes. Las pilas no expuestas a sufrir daos estructurales ya que no se requiere de que sean maniobradas y golpeadas para su instlacion como sucede con los pilotes Cuando los pilotrs son hincados a golpe de martillos, la vibracion del terreno ocaciona dao a estructuras cercanas, problema que se evita con el uso de las pilas perforadas. La longitud de la spilas pede ser variable dependiendo de la profundidad de los estratos resistentes, pudiendo hacerse los ajustes correspondientes practicamente en forma inmediata, lo cual no estan versatil en el caso de los pilotes ya que estos son prefabricados. La fabricacion de las pilas siempre es monolitica y no requiere de las juntas especiales, como sucede en algunos pilotes que son instalados en tramos. Se usa sola pila perforada en vez de un grupo de pilotes con capuchon. La construccion de pilas perforadas en depositos de arenas densas y gravas es mas facil de hincar pilotes. Las pilas perforadas se construyen antes de terminar las operaciones de nivelacion. Los pilotes hincados en suelos arcillosos producen levantamientos del terreno y ocasiona que lo spilotes que ya esten hincados se muevan lateralmente lo que no ocurre con las pilas perforadas. Como la base de una pila perforada se amplia esta proporciona una gran resistencia a cargas de levantamiento. La superficie sorne la cual la base de la pila perforada que se construye debe inspeccionarse visualmente Las pilas perforadas tienen alta resistencia a cargas laterales.

DESVENTAJAS Las pilas requieren siempre de perforaciones previas, mientras que los pilotes en ocasiones pueden ser instalados desplazando el subsuelo. Cuando existen estratos de subsuelo sin consistencia, no es posible realizar la construccion de pilas con calidad, ya que su seccion puede llegar a deformarse, lo cual no sucede con un elemento prefabricado; se puede resolver este problema con tuberia metalica perdida, lo cual origina un incremento de costo. En la fabricacion de pilas es necesario siempre garantizar que en el desplante de las excavaciones no existan material suelto. Los cambios de presion del agua subterranea pueden cercenar el fuste de las pilas durante su fabricacion, cuando se utilizan ademas metalicos recuperables y no son retirados adecuadamente. El procedimiento cosntructivo de la spilas osre agua se complica, al tener que evitar el vaiven de la plataforma flotante donde se apoya el equipo de construccion, asi como tener que aislar el cuerpo de la pila en la zona donde no existen suelos que lo confine. El sistema de ademado de las perforaciones requiere mayor control que en el caso de los pilotes, ya que de esta depende en forma importante la calidad de las pilas.

EJERCICIO PRACTICOEjemplo. En la figura se muestra una pila perforada en un suelo cohesivo. Use el mtodo de Reese y ONeill para deteminar:a) La capacidad de carga ultima.b) La capacidad de carga para un asentamiento admisible de 0.5 pulg.Solucin:

Solucin:Parte a.De la fifural1= 12-5= 7pies.l2=20-(12+2.5)=5.5 pies.Capacidad de carga en la base de la Pila.Qs=*Cu*P*l.Qs=0.55)(800)( *2.5)(7)+(0.55)(1200)( *2.5)(5.5)Qs=52,700.34 lb/pie.

Resistencia unitaria de Puntaqp= 6Cu*(1+0.2L/Db)qp= 6(3000)*(1+0.2*25/4)qp= 40,500 lb/pie.qp