esfuerzos en el suelo alrededor del pilote
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1. ESFUERZOS EN EL SUELO ALREDEDOR DEL PILOTE
Los criterios y teorías que analizan la interacción suelo-pilotes han determinado que
la capacidad portante de los mismos depende fundamentalmente de la resistencia por punta,
sumada a la fricción lateral.
Cuando se hinca o excava un pilote que trabaja por punta, los esfuerzos de corte se
disminuyen en un área que alcanza la distancia D alrededor del pilote, como muestran los
esquemas. La zona de corte simple rodea al pilote en todo su perímetro, mientras que la de
corte por compresión se halla directamente bajo la punta, donde los esfuerzos por
penetración son más importantes.
Externamente a la zona de corte, en los pilotes hincados se produce una
perturbación que reduce la cohesión en las arcillas por un determinado lapso de tiempo que
depende de la tixotropía del suelo. Pero en los suelos granulares no cohesivos, se
incrementa la fricción lateral por efecto del hincado, especialmente si las caras del pilote
son rugosas.
El campo de esfuerzos que se produce en el suelo de fundación por la transmisión
de las cargas que impone el pilote, está presentado por la líneas isobáricas de Mindin y
Boussinesq.
La masa
del suelo es considerada aquí como un sólido semi-infinito homogéneo y elástico y las
isobaras permiten hallar los esfuerzos verticales en función del factor I que se obtiene por
los valores de de n y m. n=x/H; m=z/H
X y z son las coordenadas del punto cuyo esfuerzo se debe conocer, y h es la altura
del pilote.
La mitad derecha del grafico da los valores Ip para el caso del pilote transmitiendo
la carga del terreno por punta y la mitad izquierda corresponde a las curvas de influencia de
los esfuerzos verticales para el caso del pilote transmitiendo la carga al terreno por fricción
uniforme a lo largo de fuste.
En el caso de resistencias por punta, los esfuerzos verticales dentro de la zona
comprendida en un cilindro de radio aproximadamente igual a la mitad de la altura del
pilote, por encima de la punta, adoptan valores negativos.
Esto significa que ocurre una reducción de estos esfuerzos verticales en la masa del
suelo, alivianando asi el estado tensional, mientras que los mismos se incrementan por
debajo de la punta. Por lo tanto, el signo negativo corresponde a los esfuerzo Z de tracción.
Ejemplo:
2. FRICCION NEGATIVA
En los suelos profundos y homogéneos, una gran parte de la resistencia del pilote
depende de la fricción. En algunos casos, sin embargo, cuando el suelo es altamente
compresible, como puede ocurrir en las arcillas medianas y blandas, los terrenos de relleno
o los limos, el suelo se comprime y asienta en las proximidades del pilote, mientras éste
resiste por punta. Ver figura 12.36. Un fenómeno similar ocurre cuando desciende el nivel
freático del lugar.
El efecto producido se conoce por fricción negativa, la cual trata de hundir el pilote
en vez de sostenerlo, y por ello disminuye la capacidad resistente del mismo. La principal
consecuencia que produce la fricción negativa es incrementar la carga axial del pilote y
favorecer los asentamientos.
Esto ocurre porque el suelo se adhiere fuertemente a las caras del pilote y cuando
asienta origina una carga adicional hacia abajo, que es la fricción negativa, la cual se
transfiere lentamente hasta la punta del pilote. Por lo tanto la fricción negativa da por
resultado un Incremento de la carga Inicial de compresión en el pilote y si es muy notable,
puede superar la admisible del suelo. Por ello se limita generalmente la magnitud de la
carga máxima por fricción negativa en un pilote, de modo que no supere la de la carga viva
que actúa en la superestructura, y que incide en ese pilote.
Si un pilote se halla en un suelo de gran profundidad homogéneo, y sólo resiste por
fricción, cuando ésta resulta negativa, el pilote se hunde irremediablemente, al no existir un
eso trato inferior firme que permita trabajar por punta. Un ejemplo de ello sería el caso de
las arenas; movedizas.
Por lo tanto, en todo terreno compresible, deben Investigarse exhaustivamente las
condiciones del subsuelo, así como determinar con exactitud la magnitud de las cargas de la
superestructura, para verificar si un pilote puede resistir una eventual fricción negativa
ocasionada por algún estrato compresible. Este análisis se debe realizar tanto para los
pilotes aislados como en grupo.
Aplicando para ello algún método aproximado de cálculo, que permita valorar el
asentamiento debido a la fricción negativa, aún en forma no rigurosa, significa, al menos
tomar conciencia de este problema, para evitar daños posteriores en las construcciones que
pueden ser de consideración con el paso del tiempo.
Para evitar el efecto de la fricción negativa en un estrato compresible, si debajo hay
suelo firme se puede solucionar este problema, en la altura del estrato que asienta,
adoptando algunos de los criterios siguientes, con el fin de evitar al adherencia del suelo al
fuste del pilote:
*Previamente al vaciado del concreto, colocar en la altura del estrato compresible,
una camisa metálica lisa no recuperable
*Perforar un hueco con un diámetro mayor al del pilote y rellenar el espacio entre el
fuste y el suelo con lodo en suspensión
*En pilotes hincados, antes de colocarlos en el lugar, aplicar al fuste una capa de
bitumen asfáltico u otro producto similar
*Proceder, antes del hincado o perforación del suelo para instalar el pilote, a
mejorar y compactar los estratos compresibles, por algunos de los métodos descritos en el
Capítulo 4.
3. CAPACIDAD DE UN PILOTE
La capacidad última de carga de un pilote se logra por una simple ecuación como la
suma de la carga tomada en la punta del pilote más la resistencia total por fricción (fricción
superficial) generada en la interfaz suelo-pilote. Qu= Qp + Qs.
Donde
Qu =capacidad última del pilote
Qp = capacidad de carga de la punta del pilote
Qs =resistencia por fricción
Numerosos estudios publicados tratan la determinación de los valores de Qp y Qs.
Excelentes resúmenes de muchas de esas investigaciones fueron proporcionados por Vesic
(1977), Meyerhof (1976) y Coyle y Castello (1981). Tales estudios son una valiosa ayuda
en la determinación de la capacidad última de los pilotes.
Capacidad de carga de la punta, Qp
La capacidad última de carga de cimentaciones superficiales fue analizada en el
capítulo 3. De acuerdo con las ecuaciones de Terzaghi, Las cimentaciones con pilotes son
profundas. Sin embargo, la resistencia última, qp, por área unitaria desarrollada en la punta
del pilote se expresa por una ecuación similar en forma a la (9.9a), aunque los valores deN:,
N;y N; serán diferentes. La nomenclatura usada eh este capítulo para el ancho de un pilote
es D. Al sustituir D por B en la ecuación (9.9a) resulta qu=qp=cN*+qN*+yDN.
Resistencia a friccion, Qs
La resiste ncia por fricción o superficial de un pilote se expresa como
Hay varios métodos para estimar Qp y Q5 • Estos se analizan en las siguientes
secciones. Debe recalcarse que, en el campo, para movilizar plenamente la resistencia de
punta (Qp), el pilote debe desplazarse de 10 a 25% del ancho (o diámetro) del pilote.
4. METODO DE MEYERHOF; ESTIMACION DE Qp
Arena
La capacidad de carga de punta qp 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 L¡}D = (L¡}D)cr. Note que en un suelo homogéneo Lb es
igual a la longitud real L de empotramiento del pilote (véase la figura 9.lla). Sin embargo,
en la figura 9.6b, donde el pilote penetró en un estrato de apoyo, Lb < L. Más allá de la
relación de empotramiento crítico (L¡}D)cr, el valor de qp permanece constante (qp = q1).
Es decir, L = Lb, como muestra ia figura 9.12 para el caso de un suelo homogéneo. La
variación de (L¡}D)cr con el ángulo de fricción del suelo se muestra en la figura 9.13.
Note que la curva de rayas es para la determinación de Nc*Y que la curva llena es
para la determinación de N; De acuerdo con Meyerhof (1976), los factores de capacidad de
carga crecen con L¡}D y alcanzan un valor máximo en L¡}D "" 0.5(L¡}D)cr· La figura 9.13
indica que (L¡}D)cr para l/> = 45° es aproximadamente de 25 y que decrece al disminuir el
ángulo de fricción l/J. En la mayoría de los casos, la magnitud de L¡}D para pilotes es
mayor que 0.5(L¡}D)w por lo que los valores máximos de Nc*Y Nq*serán
Con base en observaciones de campo, Meyerhof (1976) sugirió también que la resistencia de punta última qp en un suelo granular homogéneo (L = Lb) se obtenga de los números de penetración estándar como qp (kN/m2) = 40Nco.L/D $ 400Ncor
Donde Ncor = número de penetración estándar corregido promedio cerca de la punta del pilote (aproximadamente 10D arriba y 4D abajo de la punta del pilote)
En unidades inglesas,
qp (lbjpies2 ) = 800Nco.L/D $ 8000Ncor
Arcillas
Para pilotes en arcillas saturadas en condiciones no drenadas (lf> = 0),
Donde cu = cohesión no drenada del suelo debajo de la punta del pilote.
5. METODO DE VESIC; ESTIMACION DE Qp
Vesic (1977) propuso un método para estimar la capacidad de carga de punta de un
pilote con base en la teoría de expansión de cavidades. De acuerdo con esta, basada en
parámetros de esfuerzo efectivo,
La tabla D.6 (apéndice D) da los valores de N¿y N:para varios valores del ángulo
lf> de fricción del suelo e Irr. Para lf> = O (condición no drenada),
N*e= 3-( 1n1r r + 1) + -2+ 1
Los valores de 1, se logran de pruebas en laboratorio de consolidación y triaxiales
correspondientes a los niveles apropiados de esfuerzo. Sin embargo, para uso preliminar, se
recomiendan los siguientes valores:
6. METODO DE JANBU; ESTIMACION DE Qp
Janbu (1976) propuso calcular Qp con la expresión
Note que la ecuación (9.30) tiene la
misma forma que la (9.11). Los factores de capacidad de carga N¿y N; se calculan
suponiendo una superficie de falla en el suelo
en la punta del pilote similar a la mostrada en el
inserto de la figura 9.15. La figura 9.15
muestra la variación de N;y N¿ con lf>Y 17'. El
ángulo 17' varía aproximadamente 70° en
arcillas blandas a aproximadamente 105° en
suelos arenosos densos. Independientemente del
procedimiento teórico usado para calcular Qp,
su magnitud plena no se obtiene sino hasta que el
pilote ha penetrado por lo menos entre 10% y
25% de su ancho. Esta profundidad es crítica en el
caso de la arena.
7. METODO DE COYLE Y CASTELLO: ESTIMACION DE Qp EN ARENA
Coyle y Castello (1981) analizaron 24 pruebas de carga a gran escala en campo de
pilotes hincados en arena. Con esos resultados sugirieron que, en arena,
Qp= q`Nq Ap
Donde q`= esfuerzo vertical efectivo en la punta del pilote
Nq= factor d capacidad de energía
La figura 9.16 muestra la variación de N* con L/D y el ángulo de fricción del suelo.