tesis cimentaciones profundas
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
TEMA
“ZONAS CON SUELOS COMPRESIBLES EN LA CIUDAD DE SAN
MIGUEL Y APLICABILIDAD DE CIMENTACIONES
PROFUNDAS”
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO CIVIL
PRESENTAN:
MARVIN TOMAS SEGOVIA CASTRO
OSMAN REYNALDO ALVARADO CRUZ
SEPTIEMBRE 2004
SAN MIGUEL, EL SALVADOR, CENTROAMERICA
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ÍNDICE
CONTENIDO PÁGINA INTRODUCCIÒN 5 CAPITULO I 6 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1.1 Identificación del Problema 6 1.1.2 Planteamiento del Problema 8 1.1.3 Justificación 10
1.1.4 Objetivos 11 1.1.5 Alcances y Limitaciones 12 1.1.6 Hipótesis 13 1.1.7 Metodología 14
1.2 Marco Histórico 17 1.3 Marco Normativo 19 1.4 Marco Teórico 20
1.4.1 Generalidades 20 1.4.2 Suelos convencionales 21 1.4.3 Clasificación de suelos 23 1.4.4 Suelos cohesivos y no cohesivos 25 1.4.5 Propiedades mecánicas y físicas de los suelos 25
1.4.5.1 Propiedades mecánicas 25 1.4.5.2 Propiedades físicas 29
1.4.6 Consistencia del suelo 33 1.4.6.1 Límite líquido 34 1.4.6.2 Límite plástico 34 1.4.6.3 Límite de contracción 35
1.4.7 Importancia y requisitos esenciales del suelo para una buena cimentación 35 1.4.8 Cimentaciones 39 1.4.8.1 Generalidades 39 1.4.8.2. Definición de cimentaciones 39
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CONTENIDO PÁGINA
1.4.8.3 Clasificación de Cimentaciones 41 1.4.8.3.1 Cimentaciones superficiales 41 1.4.8.3.2 Cimentaciones semiprofundas 53
1.4.8.3.2.1 Micropilotes 53 1.4.8.3.3 Cimentaciones profundas 59
1.4.8.3.3.1 Pilotes 59 1.4.8.3.3.2 Pilas de concreto 75
CAPITULO II ESTUDIO DE LAS ZONAS CON SUELOS COMPRESIBLES 78
2.1 Recopilación y clasificación de ensayos de laboratorio 78 2.1.1 Conclusiones de las zonas de acuerdo a los ensayos recopilados 90 2.2 Ensayos requeridos para la propuesta de diseño 91 2.3 Resultados obtenidos 93
CAPITULO III DISEÑO Y PROCESOS CONSTRUCTIVOS 99 3.1 Diseño tipo de pilote 99
3.1.1 Resistencia del pilote 99 3.1.1.1 Consideraciones de diseño en el esfuerzo cortante 103 3.1.2 Eficiencia del grupo de pilotes 106 3.1.3 Diseño estructural de cada pilote 109
3.2 Procesos constructivos 135 3.2.1 Generalidades 135 3.2.2 Métodos constructivos de pilotes colados in situ 136
3.2.2.1 Método seco 136 3.2.2.2 Método entubados o ademe 140 3.2.2.3 Método con lodos estabilizantes 142 3.2.2.4 Método nivel freático 146 3.2.2.5 Sistema hélice continua 148 3.2.2.6 Método constructivo de pilotes artesanales 149
3.2.3 Equipo utilizado en la construcción 154 3.2.3.1 Grúas 154 3.2.3.2 Perforadoras 156 3.2.3.3 Osciladoras de ademe 158 3.2.3.4 Martillo para el hincado 159
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CONTENIDO PÁGINA 3.3 Control de calidad y Seguridad en la construcción 161
3.3.1 Control de calidad 161 3.3.1.1 Acero de refuerzo 162 3.3.1.2 Soldadura 164 3.3.1.3 Agua 164 3.3.1.4 Agregado fino 166 3.3.1.5 Agregado grueso 169 3.3.1.6 Cemento 171 3.3.1.7 Aditivo 173 3.3.1.8 Concreto 175
3.3.2 Pruebas de verificación del concreto de los pilotes terminados 176 3.3.3 Supervisión de la construcción de pilas y pilotes 181
3.3.3.1 Pilas y pilotes colados in situ 181 3.3.4 Medidas de seguridad 189
CONCLUSIONES 197 RECOMENDACIONES 199 GLOSARIO 200 BIBLIOGRAFÍA 202 ANEXOS 204
N-1 Tablas Resumen Estudios de Suelos en San Miguel N-2 Ensayos SPT para las Zonas en Estudio N-3 Ubicación Espacial de Sondeos SPT en San Miguel
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INTRODUCCIÓN
La Universidad de Oriente y específicamente la Facultad de Ingeniería y Arquitectura,
tiene un interés general de ayudar a las comunidades, sobre todo en el ámbito de los
servicios básicos como alcantarillados sanitarios, plantas de tratamiento de aguas
residuales, propuestas de infraestructura social y/o en la realización de proyectos que
brinden un aporte técnico a la sociedad.
Es así como a través de las tesis de graduación se logra simultáneamente ayudar a la
comunidad y optar en este caso, al título de Ingeniería Civil.
Por lo anterior, en la presente tesis, se determinan las zonas con suelos desfavorables
para la construcción, aplicando cimentaciones profundas, y brindando de esta manera un
aporte técnico a la sociedad. Es por ello, que debido a la complejidad y estudio del
tema, el trabajo elaborado a continuación se ha dividido en tres capítulos, determinando
las consideraciones y aplicaciones técnicas para la construcción de cimentaciones
profundas. En el primer capítulo se describe el objetivo de la investigación, además de
proporcionar los fundamentos teóricos necesarios para el conocimiento del suelo a
encontrarse, sus propiedades mecánicas, físicas y las diferentes clases de cimentaciones.
El segundo capítulo, está enfocado principalmente en la zonificación de la ciudad
representada por un mapa de macrolocalización y su estratigrafía según los estudios de
suelos recopilados y ejecutados. Para el tercer y último capítulo, se ha realizado el
diseño de cimentación profunda de acuerdo a los ensayos establecidos en esta
investigación, además de los procedimientos de construcción empleados en
cimentaciones profundas coladas in situ. Para finalizar y como complemento de este
documento se ha incluido el control de calidad y seguridad en la construcción ya que
actualmente en nuestro país todo constructor debe cumplir con estos requerimientos.
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CAPITULO I
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
En los últimos años, la ciudad de San Miguel ha tenido un desarrollo considerable en
sus actividades, como tales: habitacional, comercio, construcciones, industria y otros
rubros.
A medida que aumenta la población 245,428 hab., proyectada al 2001, según la
Dirección General de Estadísticas y Censo Ministerio de Economía, El
Salvador.(DIGEST1C), se incrementa la necesidad de satisfacer la demanda de
viviendas. Por otra parte el crecimiento urbano en la ciudad de San Miguel se ha
generado y expandido de forma lateral, sin considerar hasta el momento alternativas de
construcciones verticales.
Después de los terremotos del 13 de enero y 13 de febrero del 2001, los cuales afectaron
al país, dañando su economía y estructuras tales como: iglesias, edificios, viviendas,
hospitales y otras; se ve la necesidad de realizar estudios de suelos para cimentaciones
de nuevas edificaciones en la ciudad de San Miguel y en el área urbana o semiurbana.
Con el fin de evitar posibles daños y fallas del suelo a la capacidad de soporte,
asentamientos diferenciales, compresibilidad, saturación, etc; los cuales deben cumplir
con los requisitos y diseños estructurales.
Según los estudios de suelos acopiados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, existen
suelos arcillosos desfavorables y compresibles para la construcción en distintas zonas de
la ciudad (ver Fig. 1.0).
Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma
una saturación sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que
facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo
sobre ellas.
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Aunque las construcciones se realicen mediante técnicos, control de calidad y personal
calificado, es importante realizar distintos planteamientos y soluciones adecuadas del
tipo de cimentación a utilizar, sobre todo se tiene que considerar la relación Estructura –
Cimentación, debido a que se tienen que tener referencias de la estructura a construir en
un suelo determinado.
FIG. 1.0 MATERIAL ARCILLOSO, FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA DE OTE. UES.
Por los motivos anteriores es imprescindible aprovechar el recurso suelo, ya que la
preinversión hecha en la realización de una obra civil, debe estar apoyada en
información clara y precisa de las distintas características de los suelos y su posible
comportamiento con las cargas que se le transmitirán, los datos únicamente serán
obtenidos mediante el estudio de suelos, desarrollado por un laboratorio debidamente
autorizado y registrado legalmente.
El análisis y ejecución de los datos, será responsabilidad del “constructor de la obra”
o el delegado establecido por él, ya que es de suma importancia el buen manejo de
información para la construcción a realizar.
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1.1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el apartado anterior, se identificó la problemática por la cual atraviesa la ciudad de
San Miguel con relación al tipo de suelo que se presenta en ciertas zonas, de igual forma
su crecimiento poblacional, desarrollo económico y comercial en los últimos años.
Una vez identificado el problema y estableciendo su situación problemática,
proseguimos al planteamiento del problema, por lo que es necesario definir
específicamente lo que sucede en la ciudad de San Miguel y el aporte que se espera dar
con investigación.
Cuando se requiere de la construcción de una obra civil (viviendas, edificaciones,
puentes, carreteras y otros), es necesario considerar varios aspectos generales de
ejecución, tales como:
• Planos del proyecto: representan los requisitos básicos para establecer lo que se
quiere construir, donde se va a construir y la magnitud lo que vamos a realizar.
De tal forma, obtenemos la relación Suelo-Estructura, definiendo lo que
necesitamos como soporte estructural y posibles alternativas de solución.
• Estudios de suelos: en la construcción de una obra, es importante determinar y
conocer el tipo de suelo donde se realizará la edificación, ya que el éxito de una
obra comienza desde sus cimientos. De tal forma se hace necesario identificar si
el suelo donde se realizará la construcción es el adecuado y reúne las
condiciones óptimas para soportar las cargas a las que estará sometida.
• Alternativas de solución: cuando se tengan problemas con el tipo de suelo
encontrado en el lugar, y no reúna las condiciones favorables y económicas para
la construcción, es necesario conocer las distintas alternativas de solución para
lograr una buena edificación. Se elegirá de esta manera una solución económica,
favorable, que cumpla con los requisitos mínimos y con las Normas de calidad
exigidas internacionalmente como: ASTM, AASHTO, ACI, etc.
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Con relación a lo antes mencionado, es importante establecer lo que debemos hacer
cuando se tienen estratos de suelos saturados, poco saturados, compresibles (baja
capacidad de carga para un buen soporte); desconocimiento de procesos de diseño y
constructivos de cimentaciones profundas (pilotes), en la zona donde se ubicará la
investigación. Entonces llegamos al planteamiento de la siguiente pregunta:
¿Cómo puede determinarse la aplicación de cimientos profundos para edificaciones en
la ciudad de San Miguel?
Para responder a la pregunta planteada, es necesario tener un conocimiento de las
propiedades mecánicas de los suelos, los estudios realizados en el lugar y sus
respectivas recomendaciones por los Laboratorios de Suelos, de igual forma conocer los
distintos métodos de aplicación de diseño en la construcción de las cimentaciones
profundas, sus procesos constructivos y los requerimientos de calidad exigidos
internacionalmente.
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1.1.3 JUSTIFICACIÓN
En el Municipio de San Miguel se han realizado construcciones con cimentaciones
profundas, las cuales son efectuadas cuando los estratos de suelos situados
inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar las cargas
transmitidas con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable.
En distintos casos las construcciones están realizadas con cimentaciones superficiales o
semiprofundas, debido al tipo y magnitud de la estructura que se ha realizado, por
ejemplo: casas habitacionales, locales comerciales, restaurantes y otros.
Actualmente no existe en la ciudad de San Miguel, un documento o guía que sirva de
referencia para utilizar cimentaciones profundas en los suelos existentes de las zonas a
establecer, ya que para la realización de este tipo de investigación es necesario un
interés académico o institucional.
Por las razones anteriores es necesario elaborar un documento que haga una
recopilación de resultados de laboratorio actualizados y que brinde alternativas de
solución de cimentaciones profundas en base a la estratigrafía encontrada, generando de
esta manera un aporte técnico que sirva a la sociedad como un apoyo para la
construcción de fundaciones.
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1.1.4 OBJETIVOS
Objetivo General:
• Elaborar un documento que sirva como orientación general, sobre los estratos de
suelos a encontrar en la ciudad, y en las zonas desfavorables la aplicabilidad de
cimentaciones profundas coladas in situ. Cumpliendo de esta manera con el
requisito académico para optar al grado de Ingeniero Civil.
Objetivos Específicos:
• Realizar una delimitación del área en estudio para la ciudad de San Miguel, la
cual tendrá como prioridad los suelos compresibles que no son de beneficio para
la cimentación.
• Determinar las propiedades de los suelos a encontrarse en las zonas de estudio,
por medio de la recopilación de estudios de suelos y los ensayos propuestos a
realizarse.
• Aplicar cimentaciones profundas en los suelos desfavorables encontrados
previamente determinados en las zonas del área de estudio.
• Establecer los procesos constructivos colados in situ, en los lugares donde se
requieran las cimentaciones profundas.
• Proporcionar un documento donde se puedan describir las zonas en las cuales se
encuentren las arcillas compresibles, su profundidad y resistencia a ser fundadas.
• Elaborar un material de consulta para la construcción de edificaciones de gran
magnitud o una estructura con requerimientos y/o estudios de cimentaciones
profundas.
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1.1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES
Alcances:
• Elaborar un documento con los resultados de ensayos de suelos actualizados de
las zonas delimitadas por nuestra investigación para la ciudad de San Miguel.
• Determinar el tipo de cimentación profunda a utilizar en el suelo más
desfavorable encontrado, el cual estará de acorde al desarrollo urbanístico
proyectado en el mapa de uso de suelos según PADCO ESCO (1998).
• Representar mediante un mapa de macrolocalización los resultados promedios
obtenidos en la zonificación delimitada.
• Se realizarán Estudios de suelos en las zonas desfavorables previamente
delimitadas, los cuales complementarán la información de la recopilación de los
resultados de laboratorio existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel.
Limitaciones:
• Nuestra área de estudio se limitará en las zonas: urbana, semi-urbana y
potencialmente urbana de la ciudad de San Miguel.
• En las zonas previamente delimitadas donde existan suelos compresibles con
“N” muy bajos (dependiendo de los resultados de laboratorio y la edificación a
construir), se determinarán las soluciones mediante cimentaciones profundas
coladas in situ.
• En este estudio se hará una propuesta de diseño para cimentaciones profundas,
que sea el más factible y económicamente posible en el área delimitada para la
ciudad de San Miguel.
• La investigación de los procesos constructivos aplicando cimentaciones
profundas coladas en el lugar, estará limitado a los recursos y equipos que sean
utilizados en el país, sin exceptuar la maquinaria extranjera.
• La campaña geotécnica a realizarse, contemplará los estudios de suelos
recopilados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, además de realizar nuevos
estudios en las zonas proyectadas de desarrollo que se encuentren en el área
delimitada. Los estudios propuestos serán de Penetración Estándar (SPT).
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1.1.6 HIPÓTESIS
“Por medio de la recopilación existente y nuevos ensayos de Penetración Estándar
(SPT), realizar una macrozonificación del subsuelo de la ciudad de San Miguel, la cual
permita identifica los estratos compresibles a diferentes profundidades que requieran
de la aplicabilidad de cimentaciones profundas.
En adición a lo anterior, es necesario además un análisis de los modelos matemáticos
usuales para el diseño estructural y procesos constructivos acerca de los pilotes, ya que
se aportaría con esto, conocimientos fundamentales al sector profesional y estudiantil
para el uso de cimentaciones profundas empleando pilotes”.
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1.1.7 METODOLOGÍA
Se iniciará con la recopilación de los estudios de suelos existentes realizados en la
ciudad de San Miguel, de esta manera, se logrará identificar los tipos de suelos,
estratigrafía y sus propiedades a encontrarse. Luego se procederá a la delimitación del
área de estudio, para lo cual se necesitará un plano de localización actualizado (se
investigará en el Centro Nacional de Registros CNR) de la ciudad de San Miguel. Al
mismo tiempo se hará la actualización de resultados de laboratorio obtenidos.
Se estima encontrar diferentes zonas estratigráficas, por lo que será conveniente realizar
Estudios de Laboratorio de suelos para la verificación de los ensayos recopilados y sus
posibles soluciones de cimentación para los casos que se presenten. Estos estudios serán
de Penetración Estándar (SPT) en el área más desfavorable y/o crítica con suelos
compresibles o nivel freático cercano a la futura cimentación, y que tengan proyección
urbanística según el uso de suelos determinado por el Plan de Desarrollo Urbano de la
ciudad (PADCO-ESCO).
Una vez realizados todos los Estudios de suelos y la recopilación de información, se
aplicarán cimentaciones profundas en los suelos desfavorables conforme a los
resultados de laboratorio.
Para esta investigación se hará un análisis de las cimentaciones profundas, estableciendo
las partes por las que están compuestas, además de los requerimientos de normas y
especificaciones técnicas que deben de cumplirse a satisfacción, dependiendo del tipo
de material, tipo de ensayo a realizarse y exigencias a cumplir en nuestro país.
Después de definir la clase de cimentación, será necesario realizar el “Diseño Tipo”
según los lugares a proponer, realizando tres evaluaciones con distintas características
estratigráficas.
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Seguidamente se establecerán los diferentes procedimientos de construcción, los cuales
estarán regidos por la maquinaria y recursos utilizados para su realización,
complementados con el control de calidad y seguridad.
Finalmente se espera que el documento tenga un valor considerable para los usuarios,
que llene las expectativas y que cumpla con nuestros objetivos planteados, de esta
manera facilitar a los interesados en el tema, las aplicaciones de cimentaciones en la
ciudad de San Miguel.
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1.2 MARCO HISTÓRICO
La importancia de un estudio de suelos, radica en saber si el suelo será capaz de
soportar las construcciones, iniciando con la cimentación, que es la parte conocida como
infraestructura que se colocará por debajo de la superficie del terreno y que transmitirá
las cargas al suelo.
Con el transcurso del tiempo se determinó que algunas de las estructuras se deterioraron
antes de la vida útil, presentando distintas fallas, debidas a que el suelo sobre el cual han
sido cimentadas no han soportado el peso de la misma, a consecuencia de las
deformaciones sufridas por el suelo, tales como asentamientos, deformaciones,
expansión del suelo y otros.
En nuestro país, después del terremoto de 1965 en la Ciudad de San Salvador, se vio la
necesidad de realizar estudios de suelos, a los pocos años de este fenómeno surgieron
los laboratorios de suelos, los cuales comienzan a realizar y dar ciertas recomendaciones
en suelos de mayor problema con tratamientos especiales o cimentaciones profundas.
Hasta el fenómeno sísmico de 1986 en San Salvador, las cimentaciones profundas y
especialmente los pilotes tomaron cierto auge, ayudando también a que se empieza a
trabajar en zonas que fueron cafetales en las que se descubrieron existencia de humus y
de materia orgánica. En consecuencia el 98% de los pilotes de nuestro país fueron
puestos hace menos de 18 años.
En la zona oriental especialmente en San Miguel, en la cual se ubica nuestra zona de
estudio, se han tenido algunos casos de daños a las estructuras, debido a que las
cimentaciones de estas han fallado a causas de no conocer las características físicas y
mecánicas de los suelos y por consiguiente no practicarles un tratamiento adecuado.
Fue hasta después de 1986 que se empiezan a realizar recomendaciones especiales, pero
fue en la década de los años 90 en los cuales se empiezan a utilizar cimentaciones
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profundas en ciertas zonas. Entre algunas ellas tenemos: Plaza Chaparrastique, Texaco
Saquiro, edificio Ex Credisa, Puente Gavidia, Super Repuestos, Teatro Gavidia y otros.
No hay un registro existente en la Ciudad de San Miguel de que se halla construido
algún tipo de cimentación profunda antes de esta época*.
*Estudios de suelos existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel.
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1.3 MARCO NORMATIVO
Actualmente en nuestro país no existe ningún marco propio regulatorio sobre
cimentaciones superficiales y profundas, pero se toman en cuenta la calidad y
especificaciones de los materiales a utilizar en los diferentes tipos de cimentación.
Generalmente para pilotes, pilas y micropilotes construidos de concreto y acero se
utilizan los criterios de diseño y normas del “ACI Manual of Concrete Practice”, así
como también normas Mexicanas que son aplicables en nuestro país. Algunos temas
cubiertos por estos reglamento son: Planos y Especificaciones, Supervisión, Materiales;
Calidad del concreto; Mezclado y Colocación, Concreto preforzado; Concreto
prefabricado; y otros.
Para otro tipo de materiales distintos del concreto y acero, se basaran en las normas
“American Society for Testing and Materials” (ASTM). Esta comprende materiales
como madera (la cual es aplicable para cimentaciones profundas), además de los
métodos para la elaboración de los ensayos de laboratorio.
En nuestro estudio realizaremos sondeos de suelos con ensayos de Penetración Stándar
SPT (Ver en Anexo N-2). Con esto se pretende obtener la información necesaria de los
estratos que conforman el subsuelo, a fin de cumplir con el Capitulo 6, Art. 46, del
Reglamento para la Seguridad Estructural de Construcción de la República de El
Salvador.
En cuanto a los procesos constructivos en cimentaciones profundas, son los laboratorios
de suelos y las compañías supervisoras, las que se basan en nuestro país en manuales
Mexicanos de cimentaciones (se ampliará en el capítulo tres), para poder dar las
especificaciones necesarias.
Cuando intervienen compañías extranjeras (específicamente Americanas o Japonesas)
hay pequeñas diferencias constructivas ya que utilizan métodos propios de sus países de
origen.
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1.4 MARCO TEÒRICO
1.4.1- GENERALIDADES.
Toda obra de ingeniería civil descansa sobre el suelo, el cual, a diferencia de otros
materiales de construcción, no tienen definidas sus propiedades y características, es
decir que varían de una zona a otra. Puesto que el suelo es parte fundamental en el
comportamiento de la estructura, el conocimiento de estas, así como el de otras
condiciones que influyen en él; a tal grado que de nada sirve un buen diseño estructural
si se desconocen o se ignoran tales propiedades y características.
Para la determinación de la resistencia del suelo o para prever su comportamiento con el
tiempo una vez cargado, es necesario conocer ciertos datos, que se pueden obtener a
partir de los estudios en el laboratorio por medio de las muestras que se toman en los
sondeos de campo.
Es obvio que algunos resultados que se obtienen por el muestreo de pozos a cielo
abierto, difieren un poco de las propiedades del suelo (laboratorio), ya que se alteran sus
condiciones por el manejo y transporte. De esto se deriva la necesidad de usar factores
de seguridad, con los que se obtienen resultados satisfactorios.
Se puede hacer una distinción general entre los materiales básicos: suelo y roca. En el
extremo la distinción es clara, por ejemplo, entre granito suelto y granito sólido. Sin
embargo una distinción mas precisa, es un poco difícil, ya que algunos suelos que son
muy compresibles pueden ser muy duros (generalmente estado seco), mientras que
algunos tipos de roca son muy blandas o tienen muchas fracturas, lo cual las hace
susceptibles a la desintegración. Para el uso práctico de la ingeniería, el suelo se define,
generalmente, como un material formado por partículas discretas que son muy fáciles de
separar.
Por ser el suelo un material natural, sus propiedades no son controlables y son más
difíciles de determinar con precisión. Además, la respuesta de la mayoría de los suelos
bajo carga es no lineal desde los niveles bajos de esfuerzos y se modifican en forma
21
importante con el tiempo. Esta distribución de esfuerzos entre el suelo y la cimentación
depende de la interacción entre ambos sistemas.
1.4.2- SUELOS CONVENCIONALES
Son conocidos los siguientes grupos y tipos*:
- Gravas: son fragmentos de rocas cuyo tamaño van de 2 mm a 250 mm. Los
tamaños son variados, de formas redondeadas o angulares. Se encuentran
combinadas con otros tipos de suelo y habrá que darle tratamientos como a los
cantos gruesos.
- Arenas: son pequeñas partículas de formas redondeadas o angulosas que
proceden de rocas disgregadas. Al describirlas se suele adoptar la clasificación
arbitraria (tabla 1.0). TABLA 1.0
CLASIFICACIÒN DE LAS ARENAS
TIPO DE ARENA DIÀMETROS
Arena fina 0.05 – 0.25 mm
Arena media 0.2 – 0.6 mm
Arena gruesa 2.0 – 2.5 mm Mecánica de Suelos. Juárez Badillo, 1995.
Estas se constituyen en suelos que no tienen cohesión, estando limpias no se
contraen al secarse, son mucho menos compresibles que las arcillas y si se aplica
una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.
Las arenas limosas o materiales arenosos normalmente son buenos para
cimentación. Sin embargo, cuando la arena es muy fina y suelta disminuir su
resistencia y capacidad de soportar cargas. Los suelos arenosos como Limo
arenoso, arena limosa, arenas puras, y otras; son muy susceptibles a los
problemas de erosión, socavación, y a disminuir rápidamente su resistencia. Este
tipo de suelo se mejora con un tratamiento ligante y confinante, de esta forma se
vuelve apto para cimentación.
- Limos: son suelos compuestos de partículas muy finas, con poca o ninguna
plasticidad, cuyos diámetros varían de 0.05 a 0.005 mm aproximadamente. Los
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limos orgánicos generalmente se encuentran mezclados con materia orgánica
finalmente dividida, de olor desagradable si está contaminada.
Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar
cargas a través de la estructura de cimentación. La permeabilidad de los limos es
muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos de no encontrarse en estado
denso, no se consideran buenos para cimentar, en espesor grueso son buenos
para cimentar. Son suelos de partículas muy finas que a veces pueden
confundirse con la arcilla, debido a que algunos presentan cierta plasticidad por
asociaciones arcillosas, lo cual modifica su típico comportamiento, en relación a
la consistencia, resistencia y capacidad de carga; aunque esta plasticidad se
puede disminuir combinándolo con un suelo arenoso. Algunas veces un suelo
limoso está contaminado con materia orgánica y esto causa que el suelo sea
inestable, por lo que habrá de darle un tratamiento que lo mejore combinándolo
con otros suelos (selecto). Sin materia orgánica y estabilizándolo mediante
compactación y otro material apropiado.
- Arcillas: están compuestas de partículas finas, generalmente en forma de
laminillas o escamas, cuyos diámetros llegan a ser menores de 0.005 mm.
Las arcillas se vuelven plásticas cuando se humedecen, pero pierden la
plasticidad y se contraen al secarse. Presentan marcada cohesión según su
humedad, son compresibles y al aplicarle una carga en su superficie se
comprimen lentamente, es muy sensible a los cambios volumétricos y a las
contracciones principalmente perdiendo su resistencia y capacidad de carga. Así
que para disminuir su plasticidad se puede combinar con otro suelo arenoso y
estabilizarlo mediante compactación. Cuando las arcillas se utilizan como suelo
de cimentación se debe controlar su contenido de humedad ya que son muy
susceptibles a los cambios volumétricos cuando se saturan o se secan.
- Tierra vegetal: es una mezcla de arena, limo o arcilla, o una combinación de
cualquiera de ellos, además de materia orgánica. La tierra vegetal no es útil para
cimentar. Deberá removerse totalmente y sustituirla por suelo sano sin materia
orgánica, la arena limosa es ideal para este tipo de sustitución.
- Turba: es suelo constituido por materia orgánica parcialmente descompuesta. La
turba es inservible en suelo de cimentación o como material de relleno.
*Manual de fundaciones de las estructuras según tipos de suelo. UES,1996.
23
1.4.3- CLASIFICACIÒN DE SUELOS.
Clasificar un suelo, es agruparlo, de manera tal de conocer lo siguiente:
• Sus descripciones, de modo que se pueda identificar y tener una idea sobre sus
futuros comportamientos en cualquier tipo de obra.
• El conocimiento de su permeabilidad y su resistencia al esfuerzo cortante.
De aquí surge el problema de agrupar los suelos en un reducido número de tipos y por
otro lado, tenemos la ventaja de la clasificación por su notación corta, resulta muy útil
para dar con una idea general y una información abstracta y fácil de identificar un suelo.
Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos o subgrupos basados en su
comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje
común, para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que
son infinitamente variadas sin una descripción detallada.
Actualmente en los laboratorios se usa el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
(SUCS), para la distribución por tamaño del grano y plasticidad de los suelos.
Sistema Unificado de Clasificación de suelos (SUCS):
La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse en
la construcción de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército
durante la Segunda Guerra Mundial. En cooperación con la Oficina de Restauración de
Los Estados Unidos de América, el sistema fue revisado en 1952. Hoy en día, es
ampliamente usado por los ingenieros y laboratoristas. Este sistema clasifica los suelos
en dos amplias categorías:
- Suelos de grano grueso: son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del
50% pasando por la malla No.200. Los símbolos de grupo comienzan con un
prefijo G o S; donde “G” significa grava o suelo gravoso y “S” significa arena o
suelo arenoso.
- Suelos de grano fino: con 50% o más pasando por la malla No.200. Los
símbolos de grupo comienzan con un prefijo “M”, que significa limo inorgánico,
“C” para arcilla inorgánica u “O” para limos y arcillas orgánicos. El símbolo
“Pt” se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos.
Otros símbolos son también usados para la clasificación:
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• W: bien graduado
• P: mal graduado
• L: baja plasticidad (límite líquido menor que 50)
• H: alta plasticidad (límite líquido mayor que 50)
Para una clasificación apropiada con este sistema, se recomienda la siguiente
información:
• Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM,
GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM y GP-GC. Similarmente, los símbolos
de grupo para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML, y Pt.
TABLA 1.1 CLASIFICACIÒN DE SUELOS SUCS
25
1.4.4- SUELOS COHESIVOS Y SUELOS NO COHESIVOS.
Una característica que hace muy distintivos a los diferentes tipos de suelos es la
cohesión, debido a ello se clasifican en: Suelos cohesivos y no cohesivos.
Suelos Cohesivos: es la propiedad de atracción intermolecular que hace que sus
partículas se mantengan muy unidas entre si; como las arcillas.
Suelos no Cohesivos: están formados por partículas duras de diversos diámetros en
forma suelta o muy sueltas como las arenas, y no poseen cohesión.
1.4.5- PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS SUELOS.
Son necesarias para el cálculo de la resistencia del terreno y para estimar el
comportamiento que tendrá al transcurrir el tiempo; se puede determinar por medio de
ensayos realizados en el laboratorio o por ensayos hechos en el lugar a cimentar.
1.4.5.1- PROPIEDADES MECANICAS.
Sirven para conocer las respuestas al someterlo a diferentes tipos de carga, a través de
las estructuras de cimentación.- Entre las principales propiedades mecánicas tenemos:
Permeabilidad: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se
mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene
dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al
agua en su travesía por la masa del suelo; el grado de permeabilidad varia según el tipo
de suelo.
Un suelo o roca es permeable cuando contiene vacíos o fracturas continuas; los vacíos
existen en todos los suelos incluyendo las arcillas mas compactas.
La forma de los granos es importante especialmente en los suelos más gruesos. El grado
de saturación y el aire atrapado en los poros reduce el área en la sección transversal y
puede llegar hasta obstruir el paso del agua.
La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: la viscosidad del fluido,
distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos,
rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En los suelos
arcillosos la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores
26
mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son: la concentración iónica y el
espesor de las capas del agua adheridas a las partículas de arcilla.
El valor del coeficiente de permeabilidad “k”, varía ampliamente para diferentes suelos;
como se muestra en la tabla 1.2; se dan algunos valores típicos para suelos saturados. La
permeabilidad del suelo no saturado es menor y crece rápidamente con el grado de
saturación. TABLA 1.2
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD “K ”
TIPO DE SUELO k (cms/seg)
Grava limpia 100 – 1
Arena gruesa 1.0 – 0.01
Arena fina 0.01 – 0.001
Arcilla limosa 0.001 – 0.00001
Arcilla 0.000001 Braja M. Das, 2001.
La permeabilidad también está relacionada con las propiedades del fluido que pasa a
través del suelo por la siguiente ecuación:
k = γw η . K
donde:
γw = peso específico del agua
η = viscosidad del agua
K = permeabilidad absoluta
La permeabilidad absoluta se expresa en unidades de longitud al cuadrado, es decir en
centímetros cuadrados (cm²).
Resistencia al corte: las obras de ingeniería son construidas sobre el suelo y es
necesario garantizar su estabilidad, seguridad y economía; previendo la falla del terreno.
El análisis de la estabilidad del suelo comprende los aspectos siguientes:
- Analizar la fuerza actuante sobre él (peso propio del suelo, cargas aplicadas y
otros).
27
- Determinar la resistencia del suelo con el objeto de establecer los valores de la
cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo.
La resistencia al corte del suelo, se cuantifica por medio de la cohesión “C” y el ángulo
de fricción interna “ø” para calcular su capacidad de carga.
En un suelo saturado, el esfuerzo normal total en un punto, es la suma del esfuerzo
efectivo y la presión de poro:
σ = σ´ + u
El esfuerzo efectivo σ´ es tomado por los sólidos del suelo, entonces aplicando la
ecuación a la mecánica de suelos tenemos:
Tf = c + ( σ – u ) tan ø = c + σ´ tan ø
donde:
Tf : esfuerzo cortante actuante, final o de falla en Kg / cm²
c : cohesión del suelo en Kg / cm²
σ´: esfuerzo normal actuante en el plano de falla en Kg / cm²
ø : ángulo de fricción interna
El valor de “c” para la arena y limo inorgánico es cero. Para arcillas normalmente
consolidadas, “c” se considera igual a cero. Las arcilla sobreconsolidadas tiene valores
de “c” que son mayores que cero. El ángulo de fricción se llama a veces ángulo de
fricción drenado. Valores típicos del ángulo de fricción se dan en la tabla 1.3; para
arcillas normalmente consolidadas el ángulo de fricción generalmente varía entre 20º y
30º. Para arcillas preconsolidadas, la magnitud del ángulo decrece. Para arcilla naturales
no cementadas, preconsolidadas con presión de preconsolidación menor que
aproximadamente 1,000 KNt / m², la magnitud de “c” cae en el rango de 5 a 15 KNt /
m².
28
TABLA 1.3 ANGULO DE FRICCIÓN INTERNA “ø”
Tipo de suelo ø º (grados) Arena: granos redondeados Suelta 27 - 30 Media 30 - 35 Densa 35 - 38 Arena: granos angulares Suelta 30 - 35 Media 35 - 40 Densa 40 - 45 Grava con algo de arena 34 - 48 Arcillas consolidadas 20 - 30 Limos 26 - 35
Braja M. Das, 2001
Deformación: las deformaciones en los suelos aún bajo pequeñas cargas, es mucho
mayor que la de otros materiales; este estado no se produce inmediatamente a la
aplicación de las cargas, si no que se desarrollan con el transcurso del tiempo.
Cuando un suelo se somete a incrementos de esfuerzos totales, como resultado del
aumento de cargas aplicadas (ej: la construcción de un edificio), se produce en él un
exceso de presión intersticial (presión de poros) que se disipa mediante un flujo de agua
hacia el interior, ya que el agua no puede sufrir esfuerzos cortante. La velocidad a la
cual se produce este proceso depende principalmente de la permeabilidad del suelo y la
expulsión del agua, al aplicar la carga al suelo es casi instantánea según su
permeabilidad y se reacomodan las partículas ocasionando fricción interna al interior de
toda la masa sometida.
Lo contrario ocurre con las arcillas saturadas, donde la permeabilidad es muy baja y los
asentamientos ocurren lentamente con el tiempo, ya que el agua tardará mucho en ser
expulsada hacia los límites permeables de la capa arcillosa.
Generalmente, durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas
sólidas sobre un mismo plano horizontal, permanecen esencialmente con la misma
posición. Así, el movimiento de las partículas del suelo, la deformación y el drenaje
puede ocurrir solo en la dirección vertical, por lo que a ésta se le denomina
Consolidación Unidimensional.
29
El proceso de consolidación del suelo tiene dos consecuencias importantes:
- Conduce a una reducción de volumen de los poros, y por lo tanto, a una
reducción del volumen total de la masa del suelo, lo cual se manifiesta en
asentamientos de la superficie del terreno natural, en el plano del contacto suelo
– estructura, y por consiguiente en asentamientos de la estructura.
- Durante la disipación del exceso de presión intersticial, el esfuerzo efectivo en la
masa del suelo aumenta y por lo tanto se incrementa su resistencia la esfuerzo
cortante.
De lo anterior se deduce que cuando un suelo se consolida, se produce una disminución
de la relación de vacíos acompañada por el incremento del esfuerzo efectivo.
Con la consolidación se determina la deformación del suelo con el tiempo, por la acción
de las cargas aplicadas en los siguientes casos: cuando hay un cambio de forma y no de
volumen (deformabilidad), y cuando hay un cambio de volumen y no de forma
(compresibilidad).
1.4.5.2- PROPIEDADES FÍSICAS.
Los suelos para cimentaciones se pueden diferenciar entre sí, a través de sus
propiedades físicas en formas cualitativas y cuantitativas como se expresa a
continuación:
Cualitativas: (determinadas por inspección visual y manual)
- Textura: es el grado de finesa y uniformidad del suelo descrito según la
sensación que produce el tacto y por descripción visual.
- Estructura: es la forma que las partículas de suelo se disponen (entre sí) dentro
de la masa del suelo, conformando su esqueleto.
- Consistencia: es el grado de tracción entre las partículas del suelo y la
resistencia ofrecida a las fuerzas que tienden a deformar o a romper en sí el
suelo, se describe como dura, frágil, friable, pegajosa, plástica y blanda.
A los suelos en general a partir de la estructura que tienen en estado natural se le
determina sus propiedades físicas, considerando que están compuestos en tres porciones
fundamentales, una sólida de suelos propiamente dicho, otra líquida en forma de
contenido de agua y otra gaseosa en forma de combinación de distintos gases
acumulados en el subsuelo de la corteza terrestre. Estas porciones son conocidas como
30
las fases fundamentadas de los suelos que se muestran en la Fig. 1.0, para definir las
propiedades físicas. FIG. 1.0
FASES DE LOS SUELOS
donde:
Volumen del aire: Va Peso del aire: Wa = 0 Volumen del agua: Vw Peso del agua: Ww Volumen de vacío: Vv Peso de los sólidos: Ws Volumen de la masa: Vm Peso de la masa del suelo: Wm Volumen de sólido: Vs
Cuantitativas: (determinadas a través de ensayos de laboratorio)
- Porosidad: es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la masa del
suelo, y generalmente se expresa en porcentaje.
n % = Vv x 100 donde: Vm n % : porosidad
Vv : volumen de vacío
Vm : volumen de masa
Relación de vacíos o índice de poros “e”: es la relación entre el volumen de vacíos y
el volumen de los sólidos.
e = Vv donde: Vs e: relación de vacíos
Vv: volumen de vacíos
Vs: volumen de sólidos
31
- Densidad relativa: ya que la porosidad por sí misma no indica si un suelo es
suelto o denso, se recurre a la densidad relativa que es tomada en la información
que al comparar la porosidad de un suelo dado y las porosidades de ese mismo
suelo en su estado más denso y más suelto posible, puede ser expresado
numéricamente por la siguiente expresión:
Dr = eo - e donde:
eo : relación de vacíos del suelo en su estado más suelto, estable. emin: relación de vacíos en el estado más denso que puede obtenerse en el laboratorio. e : relación de vacíos del suelo natural en el terreno.
- Contenido de Humedad: es la cantidad de agua que hay atrapada en un suelo; y se
define como la relación entre peso del agua contenida en el suelo y el peso del suelo
seco expresado en porcentaje, así:
W% = Ww x 100 donde:
Ws W%: contenido de humedad
Ww : peso del agua
Ws : peso del suelo seco
La humedad de los suelos en nuestro medio esta determinada según la época; también
influye el acercamiento con el nivel freático, pero en muchos casos la variación de esta
propiedad solo es en la capa superficial, principalmente en las arcillas. Dentro del
contenido de la humedad podemos encontrar tres importantes características que son:
eo - emin
32
• Grado de saturación: es la relación entre el volumen de el agua contenida en la
muestra de suelo y el volumen de vacíos del suelo.
Gw% = Vw / Vv donde: Gw%: grado de saturación
Vw : volumen de el agua
Vv : volumen de vacíos
• Peso especifico seco: es la relación entre el peso seco de le suelo (secado al horno a
105ºC +/- 5ºC) con respecto a su volumen total.
γd = Ws donde: Vm γd: peso especifico seco
Ws: peso del suelo seco
Vm: volumen total del suelo
• Peso especifico saturado: es la relación entre el peso de el suelo saturado del agua
estado natural y el volumen total del suelo.
γsat = Ws + Ww donde: Vm γsat: peso especifico saturado
Ww: peso del agua
Ws: peso de los sólidos
Vm: volumen total del suelo
33
Las propiedades de algunos suelos típicos según Terzaghi se muestran a continuación
en la siguiente tabla:
TABLA 1.4 PROPIEDADES DE SUELOS TÍPICOS
Descripción Relación de vacíos
"e"
Contenido de
humedad w%
Peso Específico
γ kg/m³
Arena uniforme, suelta 0.8 30 1.45 Arena uniforme, densa 0.45 16 1.8 Arena limosa suelta de grano angular 0.65 25 1.6
Arena limosa densa de grano angular 0.4 15 1.9
Arcilla firme o consolidada 0.6 21 1.7 Arcilla blanda ligeramente orgánica 0.90-1.4 30-50 1.15-1.45
Arcilla blanda muy orgánica 2.5-3.2 90-120 0.6-0.8 Bentonita blanda 5.2 194 1.27
Manual de Fundaciones de las Estructuras. UES, 1996.
1.4.6- CONSISTENCIA DEL SUELO
Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, este puede ser
remodelado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza
cohesiva es debido al agua absorbida que rodea las partículas de arcilla. A principios de
1900, un científico sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un método para describir
la consistencia de los suelos de grano fino con contenido de agua variable. A muy bajo
contenido de agua, el suelo se comporta mas como un sólido frágil. Cuando el
contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto,
dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se
clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos: sólido, semisólido, plástico y
líquido.
El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transición en que el estado sólido a
semisólido tiene lugar, se define como El Límite de Contracción. El contenido de agua
en el punto de transición del estado semisólido a plástico es El Límite Plástico, y de
estado plástico a líquido es El Límite Líquido. Estos límites se conocen también como:
Límites de Atterberg.
34
1.4.6.1- LÌMITE LÌQUIDO (LL)
Es el contenido de humedad expresada en porcentaje con respecto al peso seco de una
muestra de suelo, con el cual el suelo cambia de estado líquido a plástico.
En el año de 1932 Casagrande concluyó que cada golpe de un dispositivo estándar para
límite líquido corresponde a una resistencia cortante del suelo, de aproximadamente
1gr/cm² (0.1 KN/m²). Por consiguiente, el límite líquido de un suelo de grado fino da el
contenido de agua, para el cual la resistencia cortante del suelo es aproximadamente de
25gr/cm² (2.5 KN/m²).
El procedimiento de esta prueba en el laboratorio se realiza de la siguiente manera:
Consiste en una copa de bronce y una base de hule duro, ésta copa, se deja caer sobre la
base por una leva operada por una manivela. Para la prueba se coloca una pasta en la
copa, se corta una ranura en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de
corte estándar, luego con la leva operada por la manivela, se levanta la copa y se deja
caer desde una altura de 10 mm. El contenido de agua, en porcentaje requerido para
cerrar una distancia de 12.7 mm a lo largo del fondo de la ranura a los 25 golpes se
define como el límite líquido. Este procedimiento se amplía en las Normas ASTM D-
4318.
1.4.6.2- LÌMITE PLÀSTICO (LP)
Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la
muestra del suelo secado al horno, para el cual los suelos cohesivos pasan de un estado
semisólido a un estado plástico. La prueba en el laboratorio, se ejecuta formando
cilindros delgados con una muestra de suelo plástico con un diámetro de 3 mm, si el
suelo no se desmorona, se recoge el cilindro, se vuelve a amasar y se rola de nuevo. Se
repite este proceso hasta que el cilindro comienza a desmoronar hasta adquirir un
diámetro de 3 mm. A la humedad que se desmorona el cilindro, se define como el límite
plástico.
El Índice de Plasticidad (IP), es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico
de un suelo:
IP = LL – LP
El procedimiento para la prueba del límite plástico, se da en las Normas ASTM D-4318.
35
1.4.6.3- LÌMITE DE CONTRACCIÓN
Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la
muestra del suelo que pasa por la malla No.40, con el cual una reducción de agua no
ocasiona disminución en volumen del suelo.
La prueba en el laboratorio se determina preparando una muestra de volumen conocido
con una humedad superior al límite líquido, misma que se seca en el horno. Se mide el
peso y el volumen de la muestra secada al horno, se hace un cálculo de la humedad a la
que la muestra seca estaría precisamente saturada. Se considera que esta humedad es el
límite de contracción.
LC = Wi (%) – Δw (%)
donde:
Wi: contenido del agua inicial cuando el suelo se coloca en el recipiente del límite de contracción Δw: cambio en el contenido de agua (es decir entre el contenido de humedad inicial y el contenido de agua en el límite de contracción). El procedimiento de esta prueba, se detalla en las Normas ASTM D-427.
1.4.7- IMPORTANCIA Y REQUISITOS ESENCIALES DEL SUELO
PARA UNA BUENA CIMENTACIÒN
La cimentación comprende la parte que soportará la superestructura, el suelo y la roca
que están debajo, por lo tanto, su proyecto depende de ambos. Si en una estructura se
aprecia que una viga o columna ha resultado débil, puede por lo general, reforzarse;
pero si una cimentación falla y se producen asentamientos u otros problemas que hacen
también fallar a la estructura, poco puede hacerse para mejorar la situación y dicha
estructura quedará inutilizada.
He aquí la importancia que tiene el hecho de que una cimentación ofrezca la seguridad
necesaria para soportar las cargas que se impondrán. Por lo tanto deben tenerse claros
los conceptos sobre la planeación, construcción, funcionamiento y comportamiento de
una cimentación, para poder prever y tomar las medidas necesarias y de esta forma
evitar resultados peligrosos a su posible falla.
36
Una buena cimentación debe cumplir con los requisitos siguientes:
- Debe colocarse a una profundidad adecuada para impedir daños por
levantamiento o socavaciones.
- Debe presentar seguridad contra la falla del suelo.
- Debe asentarse lo mínimo permisible para evitar daños a la estructura.
El primer requisito encierra muchas incertidumbres para el campo de la ingeniería, ya
que durante todo el tiempo que el suelo soportará la superestructura, estará sometido a
diferentes fuerzas naturales y artificiales. Los dos últimos requisitos pueden ser
proporcionados con seguridad por un estudio de suelos.
• Capacidad de carga del suelo: es la capacidad que tiene un suelo para soportar una
carga sin que se desconozca falla dentro de su masa. Puede variar tanto como la
resistencia del suelo así como para la magnitud y distribución de la carga. Se puede
analizarse por medio de distintas teorías como la de Therzaghi, Meyerhof y otros
• Esfuerzo en el suelo: en primer lugar el esfuerzo efectivo vertical inicial en una
masa de suelo, antes de que se construya una estructura, es el debido a su propio
peso, y el cual es igual al peso del suelo menos el esfuerzo neutro. Los cambios en
el esfuerzo neutro pueden tener un papel importante en el asentamiento de una
estructura. En segundo lugar, tenemos los esfuerzos verticales debido a las cargas
en la superficie. Si el suelo tuviere el comportamiento de columnas independientes,
la carga la soportaría solamente las columnas que estarían sometidas a dicha carga,
y las otras permanecerían sin cambio alguno. Pero el suelo es una masa coherente
en que las columnas del suelo están interconectadas elásticamente. Las cargas
aplicadas en un punto se transmiten a través de toda la masa del suelo,
extendiéndose lateralmente a medida que aumenta la profundidad. La
representación de la distribución de esfuerzos puede obtenerse por medio de las
teorías de elasticidad.
Para obtener el esfuerzo de una masa de suelo debido a una carga uniformemente
distribuida en un área rectangular, se investiga el esfuerzo situado a una
profundidad z debajo de una de las esquinas.
37
El valor del esfuerzo a la profundidad z, está dado por la ecuación:
σz = W.Wo
donde: σz: esfuerzo a la profundidad z.
W: carga uniformemente distribuida.
Wo: valor de influencia que depende de m y n.
m: relación entre el ancho del rectángulo y la profundidad z.
n: relación entre el largo del rectángulo y la profundidad z.
Para obtener el esfuerzo a lo largo de una normal que pasa por el centro de un área
circular uniformemente cargada se utiliza la siguiente expresión:
σz = W.Wo
donde: σz: esfuerzo a la profundidad z.
W: carga uniformemente distribuida.
Wo: valor de influencia que depende de la relación entre el radio y
la profundidad.
z: profundidad a la que se determina el esfuerzo.
r: radio del área circular uniformemente cargada.
• Asentamientos: las causas principales de los asentamientos en una estructura, son
la distorsión y consolidación, y están directamente relacionadas con la carga de la
cimentación y se controlan al proyectar la misma. Para cimentaciones en suelos
que se asientan lentamente, como las arcillas saturadas, se usa en el análisis de
asentamiento la carga permanente más cualquier carga accidental que sea
mantenida; pero para suelos de arcilla parcialmente saturada, limos o materiales
orgánicos que generalmente se asientan con rapidez, se debe usar la carga
permanente más toda la carga accidental. En algunos casos es necesario calcular el
asentamiento de cada columna o parte de la estructura, pero en la mayoría es
suficiente conocer las partes más críticas, como en los cimientos para maquinaria,
chimeneas y columnas más cargadas.
Para todos los tipos de cimentaciones sobre arcilla, limos plásticos, los factores de
seguridad deben ser los adecuados para evitar una falla por capacidad de carga.
Sin embargo es igualmente importante hacer una estimación segura de la
38
magnitud del asentamiento diferencial que puede experimentarse en la estructura,
aunque no se exceda el valor de la carga de seguridad. Si el asentamiento
diferencial estimado es excesivo, puede ser necesario cambiar la distribución o el
tipo de cimentación que se está considerando.
En la mayor parte de los casos no se justifica un elevado grado de precisión.
Usualmente puede hacerse una selección correcta del tipo de cimentación, si se
sabe que el asentamiento diferencial será de orden de: 1, 5 y 50 cms.
• Presión admisible del suelo: para el proyecto de una cimentación es necesario
conocer la presión máxima que se puede aplicar al suelo (ver tabla 1.5), sin exceder
la capacidad de carga y sin que se produzcan asentamientos que ponga en peligro
la estructura. Antiguamente se usaban experiencias previas en suelos similares de
la región, información de las cuales se hacían uso; sin embargo este método crea
con frecuencia dificultades debido a que estos datos fueron hechos en tiempos
remotos y en estructuras completamente diferentes a las modernas. Actualmente se
usan las pruebas de carga (Ensayos de Placas, etc) para determinar la deformación
del suelo. TABLA 1.5 PRESIONES ADMISIBLES DE LOS SUELOS
Arena muy suelta Seca 0,0 - 0,50 Kg/cm² Inundada 0,0 - 0,30 Kg/cm² Arena suelta Seca 0,5 - 1,50 Inundada 0,3 - 1,0 Arena firme Seca 1,5 - 3,0 Inundada 1,0 - 2,0 Arena compactada Seca 3,0 - 6,0 Inundada 2,0 - 4,0 Arcilla blanda 0,0 - 0,75 Arcilla firme 0,75 - 1,25 Arcilla resistente 1,25 - 2,5 Arcilla dura 2,50 - 5,0 Roca en capas, laminadas o fracturadas 5,0 - 15,0 Roca masiva con alguna fisura 15,0 - 40,0 Roca masiva sana 40,0 - 100,0
Ingeniería de Cimentaciones. Peck, 1993.
39
1.4.8 CIMENTACIONES
1.4.8.1- GENERALIDADES.
Las estructuras constan de dos partes: la superior o superestructura y la inferior que es la
cimentación o subestructura. La cimentación es el elemento a través del cual se
transmiten los esfuerzos de la superestructura al terreno que debe concebirse de acuerdo
a las características de la obra a construir y del suelo en que se cimentará.
Las cimentaciones deben proporcionar completa seguridad a la estructura, porque de
esto depende la integridad de las vidas de las personas que utilizan el inmueble para
realizar sus actividades, así como también la de los distintos equipos, materiales, valores
y otros, que puedan existir dentro de la estructura.
Es por esto que resulta de vital importancia realizar de forma minuciosa y cuidadosa,
tanto la proyección como la construcción de los elementos que soportarán a la
estructura, evitando que se cometan errores o que se presenten riesgos considerables
sobre la estructura.
Algunos de dichos riesgos se pueden generar por deficiencias o deterioro del cimiento
debidas ha:
- Incorrecto dimensionamiento que por cualquier causa se pueda haber producido.
- Destrucción de los elementos de cimentación que por una agresión bien del
medio o bien externa.
- Deficiente calidad de los materiales aunque el dimensionamiento sea correcto.
- Inadecuada ejecución o deficiente puesta en obra, a pesar de que tanto el
dimensionamiento como los materiales sean los adecuados.
1.4.8.2- DEFINICIÓN DE CIMENTACIONES
La cimentación es la parte de la estructura que permite la transmisión de las cargas que
actúan, hacia el suelo o hacia la roca subyacente. Cuando los suelos reciben las cargas
de la estructura, se comprimen en mayor o en menor grado, y producen asentamientos
de los diferentes elementos de la cimentación y por consiguiente de toda la estructura.
Durante el diseño se deben controlar tanto los asentamientos absolutos como los
asentamientos diferenciales.
40
De manera general, las cimentaciones pueden ser: cimentaciones superficiales y
cimentaciones profundas. A las superficiales también suele dárseles el nombre de
cimentaciones directas, ya que los elementos verticales de la superestructura, como las
columnas, se prolongan hasta el terreno de cimentación descansando directamente sobre
él mediante el ensanchamiento de su sección transversal con el fin de reducir el esfuerzo
que se transmite al suelo. De este tipo son las zapatas aisladas, zapatas corridas, zapatas
combinadas, zapatas de contrabe, losas de cimentación y otras.
El otro tipo, las cimentaciones profundas o llamadas también cimentaciones indirectas,
ya que las cargas de la superestructura son transmitidas por elementos intermedios a
suelos resistentes que se encuentran a cierta profundidad. A este tipo pertenecen los
pilotes, micropilotes, pilas o cilindros y otros.
En realidad, no hay límite preciso en la profundidad de desplante que separe a una
cimentación superficial de una profunda, sin embargo, actualmente se reconoce como
cimentaciones superficiales aquellas en que la profundidad de desplante no es mayor
que dos veces el ancho del cimiento*.
Por lo general se tiene:
Df < 2B = Cimentación superficial
Df > 2B = Cimentación profunda
donde: Df: Profundidad de desplante de la cimentación
B: Dimensión mayor de la cimentación
*Teoría de las Cimentaciones, José A. Cedeno, 2003
41
1.4.8.3- CLASIFICACIÓN DE CIMENTACIONES En este trabajo de investigación se clasificarán las cimentaciones de la siguiente manera: 1.4.8.3.1- CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Las cimentaciones superficiales son construidas normalmente sobre formaciones suaves
localizadas arriba de un estrato rocoso, generalmente estas cimentación son conocidas
como zapatas.
Una Zapata es una ampliación de la base de una columna que tiene por objeto transmitir
las cargas al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo.
Existen diferentes tipos de zapatas, entre los cuales tenemos:
• Zapatas corridas: este tipo de cimentación consta de una franja de losa que corre a
lo largo de la longitud de un muro o pared. El ancho de esta franja es mayor que el
del muro que soporta. La proyección de esta los, es decir, la parte de la franja que
no soporta al muro es analizada como una viga en cantiliver con carga distribuida
igual a la presión ejercida por el suelo sobre el lecho inferior de la placa de la
zapata. Para este tipo de zapatas, el refuerzo principal se coloca de manera
perpendicular al eje del muro.
FIG. 1.1
ZAPATAS CORRIDAS
w = carga distribuida
B = ancho
L = longitud de zapata
d = altura de relleno
Df = nivel de desplante
e = peralte
b = ancho del patin
42
• Zapatas aisladas: las zapatas para columnas individuales son, en general,
cuadradas, se utilizan zapatas rectangulares cuando las restricciones de espacio
obligan a esta selección o si la columna apoyada tiene una sección transversal
rectangular bastante alargada. En su forma más simple, consta de una losa sencilla.
FIG. 1.2 ZAPATAS AISLADAS
P = carga concentrada
B = ancho
e = peralte
d = altura de relleno
Df = nivel de desplante
Las zapatas aisladas debido a las cargas y a las presiones que presentan, se refuerzan
mediante dos capas de acero perpendiculares entre sí y paralelas a los bordes. El área
requerida de contacto se obtiene dividiendo la carga total que incluye el peso de la
zapata que generalmente esta entre un cuatro por ciento y un ocho por ciento de la carga
de la columna, por la presión de contacto seleccionada.
• Zapatas combinadas: este tipo de zapatas se utiliza para soportar 2 o más
columnas, que no necesariamente se encuentran alineadas entre sí, pueden tener
forma rectangular o trapezoidal. También se pueden emplear como soporte para
elementos estructurales que se encuentran a muy poca distancia entre sí.
43
FIG. 1.3 ZAPATAS COMBINADAS
P = carga concentrada
x = distancia entre columnas
e = peralte
d = altura de relleno
Df = nivel de desplante
• Zapata en voladizo: son muy similares a las zapatas corridas, excepto que las
zapatas de la columna exterior y de la columna interior, están unidas por una viga,
la cual es de menor ancho que el de cualquiera de las dos zapatas, a este elemento
se le llama viga de unión. Una de las razones del uso de este elemento es la
reducción de costo, debido a que se necesita menos material que el de una zapata
combinada.
FIG. 1.4 ZAPATAS EN VOLADIZO
P = carga concentrada
e = peralte
x = distancia entre
columnas
Df = nivel de desplante
d = altura de relleno
• Zapatas continuas, reticulares y losas de cimentación: en el caso de columnas
cometidas a cargas considerables, en particular si están soportadas por suelos
44
relativamente blandos o poco uniformes, se recurre a la utilización de
cimentaciones continuas. Estas pueden ser zapatas continuas que soportan todas las
columnas en determinada fila, o dos conjuntos de estas zapatas en franja que se
interceptan formando ángulos rectos, de modo que conformen una cimentación
reticular continua. Para cargas aún mayores o suelos más blandos, las franjas se
traslapan obteniéndose una losa de cimentación.
FIG. 1.5 ZAPATAS CONTINUAS
P = carga concentrada
x = distancia entre
columnas
e = espesor de losa
FACTORES DE DISEÑO DE LAS ZAPATAS
Los tipos mas comunes de cimentaciones superficiales son las zapatas, ya sean corridas,
aisladas o combinadas. La transferencia de esfuerzo básica entre la zapata y el suelo es
por presión de aplastamiento de contacto directo.
Para las cimentaciones del tipo aplastamiento, como el caso de las zapatas, se deben
establecer varias propiedades estructurales de un suelo. Los principales valores son los
siguientes:
• Capacidad de carga admisible: este es el valor máximo admisible para el esfuerzo
de compresión vertical del suelo en la superficie de contacto de los elementos de
apoyo. En la práctica se ha adoptado la costumbre de expresar la capacidad
admisible de carga del terreno como una fracción de la capacidad de carga del
terreno, esto es, dividiendo la capacidad de carga del terreno entre un número
mayor a 1, el cual es denominado Factor de Seguridad (F.S.).
45
Los valores de F.S. pueden variar según: la importancia de la obra, la cantidad y
magnitud de incertidumbres que se manejen. Todo lo anterior se refiere a
problemas de falla en la cimentación; sin embargo, existen casos en donde el
hundimiento representa la condición dominante, y en este caso se deberá usar una
capacidad de carga menor que la admisible para que los hundimientos del suelo
sean compatibles con el funcionamiento de la estructura. Es este valor el que rige
el diseño de las zapatas y se define normalmente como qu.
TABLA 1.6 CORRELACION ENTRE LA RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN Y LA CAPACIDAD DE CARGA
Estudio de Pilotes en Cimentaciones. UCA 1985.
• Compresibilidad: ésta es la cantidad determinada previamente, de consolidación
volumétrica que determina el asentamiento de la cimentación. La cuantificación se
hace, por lo general, en términos de la dimensión real de asentamiento vertical
establecido previamente para la cimentación.
• Presión lateral activa: ésta es la resistencia horizontal ejercida contra estructuras
de contención, concebida en su forma más simple como un equivalente a la presión
de fluidos. La cuantificación se hace en términos de una densidad para el fluido,
equivalente dado en valor de peso unitario real o como un porcentaje del peso
unitario del suelo.
El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.6):
sen ø = CD = ________ AC AO + OC
N qu (Kg/cm²) 10 0,73-0,97 20 1,90-1,94 30 2,91-3,40 40 3,89-4,85 50 4,85-5,82
CD
46
b
Esfuerzo normal
D´
Ø Ø
cOσ´a Ko σ´o σ´o
pero: CD = radio del círculo de falla = σ´o - σ´a
2 AO = c cot ø OC = σ´o + σ´a
2 Por lo que la razón de σ´a respecto a σ´o se llama coeficiente de presión activa de Rankine:
Ka = σ´a = tan² (45 – ø/2)
σ´o
donde: σ´o: presión efectiva vertical σ´a: presión activa de Rankine ø: ángulo
FIG. 1.6 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN ACTIVA
• Presión lateral pasiva: ésta es la resistencia horizontal ofrecida por el suelo a
fuerzas que se aplican contra la masa del suelo. También se define como función
que varía linealmente con la profundidad a la manera de una presión de fluido. La
cuantificación se hace por lo general en términos de un aumento de presión
específica por unidad de profundidad.
C
Tf = c + σ´ tan øD
Esfuerzo cortante
A
47
b
Esfuerzo normal
D´
Ø Ø
cOσ´a Ko σ´o σ´o
σ´p
El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.4.8.6), por
lo que la razón de σ´p respecto a σ´o se llama coeficiente de presión pasiva de Rankine:
Kp = σ´p = tan² (45 – ø/2) σ´o
donde:
σ´o: presión efectiva vertical σ´p: presión pasiva de Rankine ø: ángulo
FIG. 1.7 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN PASIVA
• Resistencia a la fricción: ésta es la resistencia al deslizamiento a lo largo de la
cara de contacto de apoyo de una zapata. Para suelos no cohesivos está dada,
comúnmente, como un coeficiente de fricción para multiplicarlo por la fuerza de
compresión. Siempre que sea posible, se deben establecer límites de esfuerzo como
resultado de una cuidadosa investigación y de las recomendaciones de un ingeniero
especializado en suelos. La mayoría de los reglamentos permiten el uso de valores
presumibles para diseño.
C
Tf = c + σ´ tan ø
DEsfuerzo cortante
A
48
CAPACIDAD DE CARGA DE LAS ZAPATAS
Cuando se aplican cargas a una cimentación de apoyo, se generan esfuerzos en la masa
del suelo. Para concebir estos esfuerzos y deformaciones que les acompañan, es
necesario considerar la naturaleza de los movimientos de la cimentación y de la masa
del suelo. A través de los años, numerosos investigadores han tratado de crear una
metodología para poder predecir el comportamiento interactivo entre el suelo y la
estructura, así como también la capacidad resistente a compresión de los suelos.
A continuación se presentan algunas de las teorías más usadas, se presentan únicamente
generalidades:
• Ecuación de capacidad de carga de Terzaghi: en 1943 fue el primero en
presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga del suelo y de las
cimentaciones. Sus ecuaciones se desprenden de una adaptación de la teoría
desarrollada por Prandtl en 1920, en la cual se analizaba, mediante la teoría
plástica, el efecto de penetración generado por una base en un material o suelo
suave. Esta teoría está desarrollada para estudiar principalmente cimentaciones
superficiales. La ecuación de Terzaghi es fundamental y con ella se puede
calcular la capacidad de carga de una cimentación:
qu = cNc + γ1DfNq + 1/2γ2BNγ
donde: qu: capacidad de carga del suelo c: cohesión del suelo γ1: peso específico del suelo arriba del nivel de desplante Df: profundidad de desplante de la cimentación γ2: peso específico del suelo abajo del nivel de desplante B: ancho de la zapata NcNq Nγ: factores de capacidad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo Nq = tan² (45 + φ/2)e^πtanφ Nc = (Nq + 1)cotφ Nγ = (2Nq + 1)tanφ
49
El valor que rige el diseño de las cimentaciones es la capacidad de carga admisible, qu,
dado que será mucho menor que el valor al cual falla el suelo, dando márgenes de
seguridad necesarios para cubrir todas las incertidumbres que pueda presentar el terreno,
las acciones que provoquen las cargas actuantes, y en general, los problemas que se
presenten durante la construcción.
Se ha observado por el comportamiento de las cimentaciones, que la falla por la
capacidad de carga de las mismas ocurre como resultado de la rotura del suelo por corte.
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO ZAPATAS
La distribución de estas presiones en la superficie de contacto entre la cimentación y el
suelo es muy variable y muy sensible a las rigideces relativas del suelo, a la cimentación
y a las características propias de la estructura del suelo. Una solución exacta al
problema del cálculo de la distribución de presiones se obtiene para un modelo en que el
suelo se considera como un espacio semi-infinito homogéneo, isótropo y de
comportamiento lineal, bajo una zapata infinitamente rígida.
La distribución de presiones en una zapata en realidad resulta uniforme ya que las
concentraciones de presión en los extremos se reducen por el comportamiento no lineal
del suelo y porque el borde es desplazado ligeramente hacia fuera. A medida que la
magnitud de la carga sobre la zapata crece, la zona de plastificación del suelo se
propaga de los extremos hacia el centro y las presiones son cada vez más uniformes.
FIG. 1.8
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO COHESIVO BAJO UNA ZAPATA RÍGIDA
50
donde:
1. Distribución teórica para espacio elástico 2. Distribución real para esfuerzos bajos 3. Distribución real para esfuerzos altos 4. Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b
En una zapata rígida sobre suelo cohesivo (de tipo arcilloso), las distorsiones son
radicalmente distintas sobre un suelo granular (arenas o gravas) en que la rigidez
aumenta con el confinamiento al que están sometidas las partículas del suelo: así, la
rigidez es prácticamente nula en los extremos de las zapatas donde ocurren
desplazamientos del suelo hacia fuera y, por tanto, las presiones tienden a cero. Por el
contrario, las presiones son máximas en el centro donde el confinamiento de las
partículas también es máximo.
Cuando el nivel de presiones alcanza valores altos, existe plastificación en las zonas
sometidas a mayores esfuerzos, el centro de la zapata, y las presiones tienden a
uniformarse. FIG. 1.9
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO GRANULAR BAJO UNA ZAPATA RÌGIDA
donde:
1. Distribución teórica para espacio eslástico
2. Distribución real para esfuerzos bajos
3. Distribución real para esfurzos altos
4. Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b
51
Cuando el elemento de cimentación es flexible, su deformación hace que se reduzcan
las presiones en sus extremos dando lugar a las distribuciones uniformes:
FIG. 1.10
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO UNA ZAPATA FLEXIBLE
1 = suelo cohesivo 2 = suelo granular
PRESIONES DE DISEÑO, NETA Y ACTUANTE
La presión de diseño, se define como el valor del esfuerzo al cual es suelo falla en corte
al aplicar las cargas sobre la zapata, por lo general, es este valor el que rige el diseño de
las cimentaciones debido a que el valor real es menor a la capacidad de carga admisible.
En las siguientes páginas se denotará la presión de diseño en el terreno por la expresión
ft.
La presión neta, se define como el esfuerzo transmitido al suelo generado por el peso
propio de la zapata, el volumen del suelo sobre la cara superior de la zapata, esta presión
debe ser lo suficientemente grande para contrarrestar o equilibrar las fuerzas producidas
por el suelo y por la zapata. La presión neta se denota como rn, y se puede obtener
mediante la siguiente expresión:
rn = ft – Fc ( γt ( Df – h ) + γc h )
donde:
rn: Presión neta ft: Presión de diseño del terreno Fc: Factor de carga γc: Densidad del concreto reforzado h: Peralte de la zapata
52
Df : Profundidad de desplante de la zapata γt: Densidad del terreno
La presión actuante, se puede definir como la presión que ejerce el suelo para
equilibrar la carga aplicada sobre la cimentación bajo un área determinada.
Esta presión actuante se denota como ra, y se obtiene mediante la siguiente expresión:
ra = Pc
Az
donde:
ra: Presión actuante Pc : Carga factorizada sobre la zapata Az: Área de la zapata
FIG. 1.11 PRESIONES DE DISEÑO NETA Y ACTUANTE
a).
53
1.4.8.3.2- CIMENTACIONES SEMIPROFUNDAS
1.4.8.3.2.1- MICROPILOTES
La primera referencia que se ha encontrado de estos pilotes está en el libro de Sansoni
(1963). Describe los micropilotes como: pilotes de pequeños diámetros, ejecutados con
perforación y rotación y una tubería de entubación de unos 100 mm de diámetro.
Después se coloca una armadura central (de una o más barras) y se realiza el colado
manteniendo la presión del mortero en cabeza con aire comprimido, mientras se extrae
la tubería de entibación. Se utiliza una mezcla con dosificación elevada de cemento y
aditivos.
Este tipo de cimentaciones no está claramente definido, ya que teóricamente solo
existen dos tipos de cimentaciones: superficiales y profundas.
54
Para efectos de aplicabilidad de esta investigación clasificaremos en este tipo de
cimentaciones los Micropilotes, aunque algunos autores los describen como
cimentaciones semiprofundas.
El término “micropilote” es utilizado casi universalmente pero entendido como
refiriéndose a pilotes ejecutados con técnicas diferentes. La confusión procede de que
inicialmente los micropilotes constituyeron un procedimiento de construcción
específico, patentado en Italia en 1950 a 1952 y en muchos otros países por la empresa
FONDEDILE, patentes que, en general expiraron en la década de 1970 – 80.
Los micropilotes se usan cada vez más. Hay cuatro áreas de utilización:
- Como cimentación y/o recalce de estructuras, trabajando básicamente a
compresión.
- Constituyendo cortinas o muros discontinuos para contención de terrenos o
excavaciones profundas.
- Trabajando a flexión, tracción o flexotracción en la corrección de corrimientos o
deslizamientos.
- En paraguas de presostenimiento de túneles tanto en las bocas (es ya una
práctica común en la mayoría de los túneles) como para el paso del terreno muy
difíciles o para la recuperación de tramos con hundimiento.
Se estudiarán los micropilotes como cimentación y recalce de estructuras, ya que su
utilización es la más importante para nuestra investigación de aplicabilidad de
cimentaciones en edificaciones.
Ventajas del uso de micropilotes en recalces de estructuras:
- Los equipos son de tamaño reducido y pueden trabajar incluso dentro de un
sótano.
- Puede instalarse en cualquier tipo de terreno y atravesar, si es necesario,
inclusiones duras (como por ejemplo elementos de cimentaciones antiguas de
hormigón o mampostería).
- Su perforación es muy similar a la de un sondeo, lo que permite detectar,
eventuales cavidades (y en su caso rellenarlas a través de perforación).
- Dada su esbeltez trabaja casi exclusivamente por fuste por lo que no es preciso
que la punta se apoye en un estrato mas compacto.
55
- La realización de las perforaciones no transmiten sacudidas a las estructuras a
recalzar ni a edificios adyacentes.
- Los micropilotes pueden realizarse casi en perfecta adherencia con otros
edificios y estructura.
- Como se trata de un elemento de construcción sencilla el proyecto puede ser
flexible y ajustarse a las posibles condiciones del terreno (y de la cimentación) si
son cambiantes.
Desventajas del uso de los micropilotes:
- La relación entre el coste y la carga admitida es mayor en un micropilote que en
un pilote.
- Muchos procesos de cálculo son empíricos y solo se pueden contrastar con
pruebas de carga si se pretende aprovechar al máximo la resistencia del
micropilote.
- La calidad depende mucho de que el proceso de ejecución sea riguroso.
FACTORES DE DISEÑO DE LOS MICROPILOTES
Para el cálculo de la Carga Admisible a Compresión de los micropilotes, se mencionan
los siguientes métodos:
Método Tradicional para micropilotes:
Este método fue propuesto por Lizzi (1985), que es el siguiente:
Pult = π D L K I
donde: Pult: carga última del micropilote a compresión (no incluye coeficientes de seguridad ACI-318R-2000, secc.9.3).
D: diámetro nominal L: longitud K: coeficiente que representa el rozamiento por el fuste. I: coeficiente adimensional que depende del diámetro.
56
TABLA 1.7 COEFICIENTES DE LA FORMULA DE LIZZI,1985
SUELO K (Kpa) DIÁMETRO (cm) I
Blando 50 10 1.00 Suelto 100 15 0.90 De compacidad media 150 20 0.85 Muy compacto, grava, arena 200 25 0.80
Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003.
Con el método se desprecia la resistencia por la punta y la resistencia por el fuste
utilizada puede excederse del valor máximo que suele admitirse para los pilotes
convencionales, que es de 100 Kpa. La diferencia es achacada por Lizzi al contacto
estrecho entre el pilote, el terreno y el diámetro real, mayor que el nominal. Con este
método se ha calculado la intensa mayoría de los micropilotes.
Método Convencional: En rigor la resistencia de un micropilote vale:
PN = 1 ( π D L qs 1 + πD² qp 1 ) F1 F2 4 F3 donde: PN: carga nominal admisible del pilote F1: factor de mayorización de cargas F2F3: coeficientes de seguridad de minorización de resistencias, fuste y punta D: diámetro nominal (de perforación) L: longitud qs: rozamiento por el fuste qp: carga de hundimiento por la punta Los valores de los coeficientes de seguridad propuestos por Oteo (2001) son:
TABLA 1.8 VALORES DE COEFICIENTE F1 (OTEO, 2001)
F1 RESPONSABILIDAD IMPORTANCIA ECONÓMICA
1.25 Poca Poca 1.40 Poca Bastante 1.50 Grande Grande
F2 = 1.5 a 2 F3 = 3 a 4 Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003.
57
En realidad la resistencia por la punta es mucho menor que la resistencia por el fuste, y
en pilotes largos puede no llegar a movilizarse (ver en apartado de Distribución de
carga). Por lo tanto puede despreciarse.
La resistencia por el fuste admisible en cada estrato “i” vale:
qsia = c´i + ( σ´vio + σ´iny ) tanθ Fc F φ donde: qsia: resistencia admisible c´i: cohesión efectiva σ´vio: presión vertical efectiva antes de la construcción del micropilote. σ´iny: sobrepresión de inyección efectiva φi: ángulo de rozamiento efectivo F φ: coeficiente de seguridad parcial de minorización del rozamiento tgφ
En síntesis la resistencia del micropilote vale:
Pn = 1 Σ π D Li qsi
F1
En general se pueden adoptarse los siguientes valores de los coeficientes de seguridad
para cohesión y rozamiento (Oteo, 2003).
Fc = 1.25 a 1.60 y Fφ = 1.25 a 1.35
En la práctica el valor de c´ será muy bajo tanto en arenas como en arcillas normalmente
consolidadas, y en cambio será mas significativo para los tramos de micropilotes que
atraviesen arcillas muy preconsolidadas o rocas.
RESISTENCIAS ÚLTIMAS POR FUSTE
A continuación se incluye una tabla según la guía FHWA (Federal Highway
Adminstration, 1997), con las resistencias para el fuste de un micropilote:
58
TABLA 1.9 RESISTENCIA ÚLTIMA qs, POR FUSTE EN Kpa
Resistencia última por fuste Descripción del Terreno
Tipo A Tipo B Tipo C Tipo D Limo y arcilla (con algo de arena) (blando, plasticidad media) 35-70 35-95 50-120 50-145 Limo y arcilla (con algo de arena) (rígido, denso a muy denso) 50-120 70-190 95-190 95-190 Arena (con algo de limo) (fina, suelta a medio densa) 70-145 70-190 95-190 95-240 Arena (con algo de limo y grava) (fina a gruesa, medio densa a muy densa) 95-215 120-360 145-360 145-285 Grava (con algo de arena) (a medio densa a muy densa) 95-265 120-360 145-360 145-385 Till glaciar (limo, arena y grava) (medio denso a denso con cementado) 95-190 95-310 120-310 120-335
Esquistos blandos (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 205-550 - - -
Pizarras y esquistos duros (moderadamente fracturado, casi sin meteorización) 515-1380 - - -
Calizas (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 1035-2070 - - -
Arenisca (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 520-1725 - - -
Granito y basalto (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 1380-4200 - - -
Uso en Recalces de Micropilotes, Manuel Ruíz (2003)
Tipo A: Inyección por gravedad solamente Tipo B: Inyección a presión, en retirada Tipo C: Inyección primaria por gravedad y una fase de inyección secundaria global a presión Tipo D: Inyección primaria por gravedad y una o mas fases de inyección secundaria global a presión
Debe observarse que es posible y bastante corriente, utilizar el método B en rocas
fracturadas en el tramo final de un micropilote que atraviesa rellenos y/o suelos blandos.
En ese caso el terreno tiene una resistencia última del orden del 50% mas que la que
correspondería a pilotes ejecutados por el método A.
ASENTAMIENTO DE LA RESISTENCIA POR EL FUSTE
Suele admitirse que la resistencia por el fuste de un micropilote se moviliza totalmente
con deformaciones verticales del orden del 0.5% al 1.0% del diámetro del micropilote.
Puesto que los micropilotes tienen diámetros inferiores a 25 cms, los asentamientos
necesarios para movilizar la resistencia por el fuste de 2 mm. Las pruebas de carga
confirman que los asentamientos necesarios para movilizar totalmente la resistencia
pueden ser algo mayores, pero siempre de orden milimétrico.
59
En la Fig. 1.12 (Oteo, 2001), se comparan varias pruebas de carga en micropilotes.
Puede observarse que los asentamientos pueden llegar a ser del orden del 10.0% del
diámetro. Los valores de la resistencia unitaria por el fuste superan siempre los 100 KN,
que es el tope marcado por las inducciones y la práctica de los pilotes de
desplazamiento; el incremento de resistencia por el fuste tiene dos causas:
a) El diámetro real es mayor que el nominal y la resistencia por el fuste suele
calcularse a partir del diámetro nominal.
b) La presión / inyección, consolidan el terreno en el perímetro de la zona del
bulbo. FIG. 1.12
COMPARACIÓN DE MICROPILOTES EN VARIOS TIPOS DE SUELOS
1.4.8.3.3 CIMENTACIONES PROFUNDAS
1.4.8.3.3.1 PILOTES
Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y madera usados para
construir cimentaciones, que son profundas y más caras que las cimentaciones
superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes frecuentemente es necesario para
garantizar la seguridad estructural. Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar,
60
que generalmente tienen un diámetro mayor a la de los pilotes con o sin refuerzo de
acero y con o sin un fondo ampliado.
Las cimentaciones con pilotes se requieren en circunstancias especiales, entre las cuales
tenemos:
- Cuando el estrato superior del suelo es altamente compresible y demasiado débil
para soportar las cargas transmitidas por la estructura, se usan pilotes para
transmitir las cargas al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más
fuerte.
- Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes
resisten por fricción mientras soportan a una carga vertical transmitidas por la
estructura.
- En muchos casos, los suelos en el sitio de una estructura propuesta pueden ser
expansivos y colapsables y se pueden extender hasta una gran profundidad
debajo de la superficie del terreno. Estos suelos se expanden y contraen
conforme al contenido de agua (aumentan o disminuyen), y la presión de
expansión de tales suelos es considerable.
- Las cimentaciones de algunas estructuras como torres de transmisión,
plataformas fuera de la costa y losas de sótano debajo del nivel freático son
sometidas a fuerzas de levantamiento, recurriendo al uso de los pilotes.
- Los estribos y pilas de puentes son construidos usualmente sobre cimentaciones
con pilotes para evitar la posible perdida de capacidad de carga que una
cimentación superficial podría padecer debido a la erosión del suelo en la
superficie del terreno.
PARTES DE UN PILOTE
Los pilotes generalmente están construidos por tres partes:
• Cabeza: parte superior del pilote, es la que recibe los golpes sucesivos del maso
para su hincado.
• Fuste: es el cuerpo del pilote; es una columna estructural que está fija a la punta
y generalmente empotrado en la cabeza.
61
• Punta: es la parte final del contacto permanente con el suelo y se protege con un
casco metálico.
CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES
• Según su forma de trabajo:
- De punta: desarrollan su capacidad soportante apoyándose directamente en un
estrato resistente.
- De fricción: desarrollan su capacidad de carga por la fricción lateral que generan
contra el suelo que lo rodea.
• Según el material de los que están construidos:
- Concreto (prefabricados e hincados y colados “in situ”)
- Acero
- Madera
SEGÚN SU FORMA DE TRABAJO:
a) Pilotes que trabajan de Punta:
Es cuando un pilote trabaja principalmente como una columna que soporta una
carga en su extremo superior y apoya su punta sobre un estrato firme (ver Fig. 1.13
a y 1.13 b). Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de capas
de roca o material rocoso en un sitio dentro de una profundidad razonable, los
pilotes se pueden extender hasta el estrato rocoso y si en vez de un lecho de roca se
encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad
razonable, los pilotes se extenderán unos pocos metros dentro del estrato duro.
Entonces la carga última de los pilotes se expresa como:
Qu = Qp + Qs
donde:
Qu : carga última del pilote
Qp: carga tomada en la punta del pilote
62
Qs: carga tomada por la fricción superficial desarrollada lateralmente en el pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote) Si Qs es muy pequeña, entonces: Qu = Qp Ecuación generad de Meyerhof (1976) para el cálculo de capacidad de carga por punta: Qp = Ap (cNc* + q´Nq* )…………… Ecuación Meyerhof donde:
Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote
c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de seguridad de carga, a partir del ángulo de fricción interna del suelo (φ).
TABLA 1.10 FACTORES DE SEGURIDAD DE CARGA, MEYERHOF
φ Nc Nq Nγ Nq/Nc tan φ φ Nc Nq Nγ Nq/Nc tan φ
0 5,14 1,00 0,00 0,20 0,00 26 22,25 11,85 12,54 0,53 0,49 1 5,38 1,09 0,07 0,20 0,02 27 23,94 13,20 14,47 0,55 0,51 2 5,63 1,20 0,15 0,21 0,03 28 25,80 14,72 16,72 0,57 0,53 3 5,90 1,31 0,24 0,22 0,05 29 27,86 16,44 19,34 0,59 0,55 4 6,19 1,43 0,34 0,23 0,07 30 30,14 18,40 22,40 0,61 0,58 5 6,49 1,57 0,45 0,24 0,09 31 32,67 20,63 25,99 0,63 0,60 6 6,81 1,72 0,57 0,25 0,11 32 35,49 23,18 30,22 0,65 0,62 7 7,16 1,88 0,71 0,26 0,12 33 38,64 26,09 35,19 0,68 0,65 8 7,53 2,06 0,86 0,27 0,14 34 42,16 29,44 41,06 0,70 0,67 9 7,92 2,25 1,03 0,28 0,16 35 46,12 33,30 48,03 0,72 0,70 10 8,35 2,47 1,22 0,30 0,48 36 50,59 37,75 56,31 0,75 0,73 11 8,80 2,71 1,44 0,31 0,19 37 55,63 42,92 66,19 0,77 0,75 12 9,28 2,97 1,69 0,32 0,21 38 61,35 48,93 78,03 0,80 0,78 13 9,81 3,26 1,97 0,33 0,23 39 67,87 55,96 92,25 0,82 0,81 14 10,37 3,59 2,29 0,35 0,25 40 75,31 64,20 109,41 0,85 0,84 15 10,98 3,94 2,65 0,36 0,27 41 83,86 73,90 130,22 0,88 0,87 16 11,63 4,34 3,06 0,37 0,29 42 93,71 85,38 155,55 0,91 0,90 17 12,34 4,77 3,53 0,39 0,31 43 105,11 99,02 186,54 0,94 0,93 18 13,10 5,26 4,07 0,40 0,32 44 118,37 115,31 224,64 0,97 0,97 19 13,93 5,80 4,68 0,42 0,34 45 133,88 134,88 271,76 1,01 1,00 20 14,83 6,40 5,39 0,43 0,36 46 152,10 158,51 330,35 1,04 1,04 21 15,82 7,07 6,20 0,45 0,38 47 173,64 187,21 403,67 1,08 1,07 22 16,88 7,82 7,13 0,46 0,40 48 199,26 222,31 496,01 1,12 1,11 23 18,05 8,66 8,20 0,48 0,42 49 229,93 265,51 613,16 1,15 1,15 24 19,32 9,60 9,44 0,50 0,45 50 266,89 319,07 762,89 1,20 1,19 25 20,72 10,66 10,88 0,51 0,47
Braja M. Das, 2001
63
Ecuación general de capacidad de carga del pilote según Terzaghi: Rp = B² (cNc* + γDfNq* + 0.4γBNγ*)………….Pilotes cuadrados Rp = Πr² (cNc* + γDfNq* + 0.6rγNγ*)…………..Pilotes circulares
donde: Rp: resistencia del pilote
c: cohesión del suelo γ: peso específico del suelo Df: profundidad de desplante de la cimentación B: base del pilote Πr²: área del pilote NcNq Nγ: factores de seguridad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo
b) Pilotes que trabajan por Fricción:
Estos trabajan cuando no se tiene un estrato de roca o de material rocoso a una
profundidad considerable. Estos pilotes resultan muy largos y antieconómicos, para
este tipo de condición del subsuelo, los pilotes se hincan a través de materiales más
blandos a profundidades específicas. La carga última de estos pilotes es expresada
por la ecuación:
Qu = Qs
Esta fórmula se expresaría así, si el valor de Qp es relativamente pequeño (ver figura
1.13 c).
Ecuación general para el cálculo de resistencia por fricción:
Qs = Σ p ΔLf donde:
Qs: carga tomada por la fricción p: perímetro de la sección del pilote.
ΔL: longitud incremental del pilote sobre la cual “p” y “f” se consideran ctes. F: resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad.
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FIG. 1.13 DISTRIBUCIÓN DE CAPACIDAD DE CARGA
FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL
Para contar con una razonable seguridad en los diseños y construcción de cimientos
profundos, que aseguren que la estructura esté libre de daños, pérdidas y riesgos
inaceptables. En los análisis geotécnicos de estabilidad se introduce el concepto de
Factor de Seguridad Global, este factor se puede definir como la relación de la
resistencia de la cimentación dividida entre los efectos de las cargas aplicadas.
Los principales parámetros que afectan el margen de seguridad en la ingeniería de
cimentaciones son: la variabilidad de carga, el efecto de éstas y la resistencia del suelo
(Meyerhof 1970). Se acostumbran rangos de factor de seguridad global comprendidos
entre 2 y 3; el valor superior se aplica a condiciones de carga y de servicios normales,
mientras que el menor al caso de cargas máximas y en las peores condiciones
ambientales.
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Según el enfoque de factor de seguridad global, para obtener la carga admisible de un
pilote o pila, se divide la resistencia o capacidad de carga última entre un determinado
factor de seguridad.
Pueden requerirse factores de seguridad grandes cuando las condiciones del suelo son
muy variables o si la investigación del subsuelo es insuficiente, así como para el caso de
pilotes en arcillas o de elementos en suelos arenosos o limos sueltos, donde la capacidad
de carga puede disminuir con el tiempo.
Qadm = Qp / FS
Donde:
Qadm : capacidad de carga admisible del pilote.
Qp: resistencia en la punta del pilote
FS: Factor de seguridad
SEGÚN EL MATERIAL DE LOS QUE ESTÁN CONSTRUIDOS:
PILOTES DE CONCRETO
Se utilizan para soportar cargas pesadas, cuando se quiere que tenga una larga duración
y hay temor de que haya variaciones en el nivel del agua subterránea. En relación a esto
último esta es una de sus cualidades que puede emplearse por encima del nivel freático,
en esta forma se logra a veces un ahorro notable, porque se reduce el volumen de la
excavación y el de concreto a poner en su fundación.
Su longitud es variable y la sección puede ser cuadrada, octogonal, rectangular y
circular.
Por la forma de colocación y construcción, los pilotes de concreto pueden ser:
prefabricados e hincados ó colados en “in situ”.
- Pilotes prefabricados e hincados: Pueden hincarse en estratos compactos, sin peligro
de rotura, salvo casos relativamente raros (terrenos de alubión con grandes piedras o
terrenos arenosos muy compactos que exigen una perforación del pilote).
66
Características Generales:
Los pilotes de concreto prefabricados e hincados generalmente pueden construirse de
formas circulares, cuadradas y hexagonales (Fig. 1.14); la longitud de estos puede variar
hasta alcanzar los 30 mts y sobrepasarlos ya que la longitud depende esencialmente de
la naturaleza del terreno en que han de ser hincados y de la carga que deben soportar.
Sus dimensiones trasversales varían de 0.30 a 0.60 mts, por su peso que es muy
considerable, pueden hincarse verticales o inclinados.
Se admite como longitud limite 50 veces la dimensión transversal más pequeña; pero se
puede llegar hasta 80 veces esta dimensión.
L = 80 b
Es necesario disponer de aparatos de mantenimiento y de maquinarias y equipo
apropiados para la hinca de los pilotes, de lo contrario es necesario proceder al
empalmado, operación que consiste un pilote a continuación de otro (caso que es remoto
ya que se cuenta en nuestro país con la maquinaria y el equipo necesario, generalmente
las profundidades en nuestro país oscilan entre 20 mts)
Los pilotes prefabricados también son Preforzados usando acero de alta resistencia. La
resistencia última del acero es aproximadamente 1,800 MN/m². Durante el colado de
estos pilotes, el acero es pretensado desde 900 a 1,300 MN/m², y se vierte el concreto
alrededor de ellos. Después del curado se cortan, produciendo así una fuerza de
compresión sobre la sección del pilote.
Fig. 1.14 SECCION TRANSVERSAL DE PILOTES DE CONCRETO
67
Ventajas de los pilotes prefabricados e hincados.
- Presentan resistencia a los ataques químicos y biológicos.
- Capacidad soportante muy alta.
- Si el estrato en que se hincan los pilotes es duro, se podrá hacer uso de inyección
de agua, a lo largo de el centro del pilote se colocara un tubo que permita el paso
del liquido.
- Como son pilotes hincados, en un estrato de suelo friccionante pueden llegar a
alcanzar elevadas resistencias por fricción.
- Puede ahorrarse tiempo y dinero, pues su hincado es rápido.
- Son inherentemente duraderos, salvo en el caso de que el suelo contenga ácidos.
- Resistencia a la flexión.
Desventajas de los pilotes prefabricados e hincados.
- Es difícil aumentar o reducir su largo.
- Los tamaños grandes precisan para su manejo e hincado, un equipo y maquinaria
pesada y cara.
- El comienzo de una obra puede demorarse al no ser posible obtener los pilotes
mediante compra.
- Las posibles roturas que se presentan en el transporte, manejo e hincado,
constituyen una amenaza de atraso de la construcción.
- El transporte puede ser costoso, principalmente cuando el numero de pilotes a
emplear es pequeño y hay que organizar un equipo especial para cargar y
descarga de estos elementos.
- Pilotes colados “in situ”: son pilotes excavados en los que se abre un agujero con una
perforadora ya sea la dimensión que se necesite para luego proceder a la colocación de
el acero estructural y luego se llena este con concreto (ver fig. 1.15). La forma de
soportar las cargas puede ser por fricción o de punta.
Características Generales:
68
Existen una gran variedad de tipos de pilotes colados “in situ” la gran mayoría sujetos a
patentes. En general podemos decir que estos tienen las siguientes ventajas:
- No necesitan espacio de almacenaje.
- No necesitan equipo y maquinaria para su manejo.
- No sufren daños por maniobras de manejo e hincado.
Sin embargo estos pilotes deben estar sometidos a una constante supervisión por parte
del Ingeniero o el encargado de la obra, pues deben tomarse ciertas precauciones en el
colado y la colocación de la armadura, para lograr que este alcance su resistencia de
diseño.
Los pilotes colados “in situ” se dividen en dos tipos:
1- Con tubo recuperable o sin ademado permanente.
2- Con tubo o ademado permanente.
Los pilotes con tubos recuperables se usan en los siguientes casos:
• Cuando la excavación no corre peligro de cerrarse o derrumbarse.
• Donde el agua no llega a la excavación.
• Cuando no se perjudique a un pilote recién construidos, al hacer las
excavaciones para los pilotes vecinos.
Los pilotes con tubos permanentes se usan en los lugares donde no existen los
inconvenientes antes mencionados.
El ademe permanente es generalmente de lámina delgada corrugada, en Bogotá
(Colombia) se han usado tubos de asbesto cemento, en nuestro país se utilizan tubos de
hierro galvanizados y tubos de PVC.
A continuación se describen los tipos más comunes de pilotes utilizados, que se
muestran en la siguiente tabla 1.11:
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TABLA 1.11 DIFERENTES TIPOS DE PILOTE DE CONCRETO
TIPOS DE PILOTES DESCRIPCION VENTAJAS DESVENTAJAS UTILIZACION
SIN ADEME PERMANENTE
Pilotes mega
Formados por la unión de elementos prefabricados de concreto
Puede usarse en espacios limitados y con equipo reducido
Son patentados Son utilizados para recalces.
Pilotes simplex
Formado con tubo de punta irrecuperable y de concreto, se saca después del tubo
Como no va armado puede ser mas económico
Por no tener armadura puede fallar por tensión
Se usan en edificios pequeños
Pilotes simplex de bulbo
Se construye valiéndose de tubo recuperable formando un bulbo de concreto en la punta
Trabaja bien cuando interviene la fricción negativa
Por ser patentados hay que pagar el derecho de usarlos
Se utilizan sobretodo cuando el pilote trabaja por punta
Pilotes express
Se fabrica usando un tubo recuperable, el concreto se comprime con mazo manejado con bomba
Es muy resistente. Se necesita equipo adicional para su construcción
Pueden usarse en una variedad de edificaciones
Pilote vibro
Se hinca el tubo luego se rellena de concreto, se saca el tubo con equipo especial
El concreto para este tipo se vibra.
Se necesita equipo especial para su construcción
Como lleva armadura es muy resistente y puede usarse en edificaciones grandes
Pilote franki
Se hinca el tubo, se concretea la base ensanchada, se rellena el fuste y se extrae el tubo que tiene un tapón
Es resistente por su base ensanchada Son patentados. Es usado en diversidad
de edificaciones
CON ADEME PERMANENTE
Pilote button bottom
Se hinca el tubo hasta el lechazo con punta de hormigón prefabricado, se rellena el tubo y se extrae
Se hincan los tubos en terrenos rocosos
Como son hincados producen vibraciones que pueden dañar a los pilotes adyacentes
Se utiliza para atravesar estratos de terrenos de gran resistencia
Pilote cobi
Con mandril neumático se hinca la envolvente y se rellena de concreto
La envolvente los protege de cualquier corrimiento de tierra hasta alcanzar su resistencia
Por no recuperar el tubo, tienen un costo alto
Es de múltiples usos.
Pilote raimond estándar
Se hinca una chapa de acero con mandril, se retira el mandril y se rellena de concreto
Economía por la conicidad del pilote, posibilidad de hincarlos en terrenos duros,
Su hincado puede producir vibraciones dañinas
Se utiliza en zonas de estrato resistente, pueden llevar armadura longitudinal
Braja M. Das,2001 / Peck,1994
Ventajas de los pilotes de concreto.
- Los tubos livianos pueden manipularse e hincarse fácilmente.
- Las variaciones de longitud no constituyen un problema serio, pues el largo del
caño puede variarse.
- Los tubos pueden retirarse en trozos cortos y armarse en la obra.
70
- Se economiza dinero al eliminar el exceso de refuerzo, el cual se coloca para
soportar
los esfuerzos de manipuleo.
- Se puede formar un extremo ensanchado en la base.
Desventajas de los pilotes de concreto.
- Un pequeño corrimiento de tierra alrededor del pilote sin reforzar puede
quebrarlo.
- Un empuje hacia arriba, actuando sobre el fuste de un pilote sin camisa
permanente, ni el refuerzo puede destruirlo al hacerlo trabajar a tensión.
- La mayoría de este tipo son patentados.
- La mayor parte de este tipo de tubos hay que importarlos..
- No puede usarse en estructuras de ríos o marítimas, sin una adaptación especial.
- Podría ocurrir estrangulamiento, en suelos derrumbables, a menos que se tenga
un gran cuidado cuando se llene el fuste con concreto.
- Es difícil efectuar un buen colado si el tubo del pilote se llena de agua, a no ser
que se emplee aire comprimido.
71
FIG. 1.15 UTILIZACIÓN DE TIPOS DE PILOTES
donde: (a, b, c, d, e): utilización de ademe
(f, g): sin ademe
PILOTES DE ACERO
Los pilotes de acero ó metálicos, debido a su alta resistencia, son capaces de absorber
grandes esfuerzos de flexión y de cortante con secciones de áreas pequeñas.
El acero que se utiliza existe en varias categorías, de acuerdo a la resistencia que pueden
desarrollar. Debido al riguroso control de la calidad en la fabricación, las propiedades
estructurales están bien definidas, por lo que al asignarle los esfuerzos permisibles, los
resultados obtenidos son confiables.
Con pilotes de acero es posible atravesar estratos duros con relativa facilidad sin que se
dañen; también, por el poco volumen del terreno que desplazan durante el hincado, se
reducen los riesgos de que ocurra levantamiento de terreno que pueda arrastrar pilotes
hincados previamente.
72
Se pueden alcanzar profundidades considerables, hasta 60 mts, y se pueden transmitir
grandes cargas hasta 60 toneladas con secciones normales y hasta más de 300 toneladas
con secciones compuestas.
Existen varias secciones de pilotes de acero, entre las más usuales están: las “I”, “H”, y
Tubulares. Las secciones “I” ó “H” (Fig. 1.16), si no están apoyadas en un estrato
resistente o en roca desarrollan su capacidad de carga por fricción, porque poseen un
área lateral bastante grande; mientras que las Tubulares pueden desarrollar una
capacidad por la punta muy elevada, ya sea porque se coloque una tapadera metálica en
la punta ó porque el terreno que se aprisiona dentro del tubo forma un tapón y realiza la
misma función que la tapadera metálica.
Ventajas de los pilotes de acero.
- Resistencia elevada a la compresión y a la flexión.
- Posibilidad de alcanzar grandes profundidades mediante soldadura de elementos
metálicos con otros.
- Posibilidad de atravesar estratos resistentes.
- Soportan todas las fuerzas y golpes que se les aplica durante el hincado.
- Tienen mayor maniobrabilidad y menor requerimiento de espacio durante la
colocación.
Desventajas de los pilotes de acero.
- Ciertos estudios demuestran que pueden haber pérdida de espesor por la
corrosión, dañinas a la capacidad soportante del pilote.
- Para que sean durables necesitan tratamientos o revestimientos.
- Se incrementa el costo, debido al tipo de maquinaria que se utiliza para el
hincado.
- Material relativamente caro.
- Alto nivel de ruido durante el hincado.
73
FIG. 1.16 SECCIÓN TRANSVERSAL DE PILOTES DE ACERO
PILOTES DE MADERA
A diferencia de otros materiales de construcción, la madera no es un producto
elaborado, sino orgánico que generalmente se usa en su estado natural.
La resistencia estructural de la madera depende de su densidad, sus defectos naturales y
del contenido de humedad.
El crecimiento transversal de un árbol se verifica de adentro hacia fuera, es decir, que se
van formando una serie de anillos concéntricos a medida que transcurre el tiempo; la
banda extrema de anillos situada detrás de la corteza se le llama albura y las bandas
interiores son llamadas duramen. La albura está formada por células vivas y por ella se
conduce a sabia desde la raíz hasta las hojas; el duramen está formado por células
inactivas. La madera de albura es menos resistente que la de duramen, pero es muy útil
por su poder absorbente cuando la madera va a ser tratada para su preservación.
Los pilotes de madera son en general troncos de árboles a los que se les ha quitado las
ramas y la corteza. La longitud máxima de la mayoría de estos pilotes es entre 10 y 20
mts. Para calificar como pilotes, la madera debe estar recta, sana y sin defectos.
El Manual de Práctica No.17 (1959), de la American Society of Civil Engineers, divide
los pilotes de madera en tres clases:
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- Clase A: soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del extremo más grueso
(cabeza) debe ser de 356 mm.
- Clase B: se usan para soportar cargas medias. El diámetro mínimo de la cabeza
debe ser entre 305 y 330 mm.
- Clase C: se usan en trabajos provisionales de construcción, se emplean
permanentemente para estructuras cuando todo el pilote está debajo del nivel
freático. El diámetro mínimo de la cabeza debe ser 305 mm.
En todo caso, una punta de pilote debe tener un diámetro no menor de 150 mm. Los
pilotes de madera no pueden resistir altos esfuerzos de hincado; por lo tanto, la
capacidad del pilote es por lo general limitada aproximadamente a un valor entre 220 y
270 KN.
La parte superior de los pilotes de madera también se pueden dañar durante la operación
del hincado, para evitar daños a la parte superior del pilote se usa una banda o capuchón
metálico. El agrietamiento de las fibras de madera causado por el impacto del martillo
se denomina Astillado.
El empalme de los pilotes de madera debe evitarse (Fig. 1.17), particularmente cuando
de espera que soporten cargas de tensión o carga lateral; sin embargo, si el empalme es
necesario, este se hace usando camisas de tubo o fajas metálicas y pernos. La longitud
de la camisa del tubo debe ser por lo menos 5 veces el diámetro del pilote. Los extremos
a tope deben ser cortados a escuadra, de tal manera que se mantenga un contacto pleno.
Las porciones empalmadas deben ser cuidadosamente desvastadas de manera que se
ajuste estrechamente al interior de la camisa del tubo. En el caso de fajas metálicas y
pernos, los extremos a tope deben también ser cortados a escuadra. Además, los lados
de la porción empalmada deben desbastarse para poder ser colocadas las fajas.
Ventajas de los pilotes de madera.
- Facilidad de manipulación y transporte.
- Se pueden cortar a la longitud requerida, una vez hincados.
- Pueden deshincarse con facilidad.
- Es fácil obtener las longitudes y secciones que se usarán (en algunos casos).
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Desventajas de los pilotes de madera.
- Dificultad de obtener troncos largos y rectos.
- Sus puntas y cabezas pueden dañarse al hincarse.
- En suelos duros penetran dañándose o no penetran.
- Necesidad ardua de trabajo para empalmarlos, con el fin de aumentar su
longitud.
- Corta duración, a menos que sean tratados con preservantes.
- No pueden usarse por sobre el nivel freático, pues se pudren.
FIG. 1.17 EMPALME DE PILOTES DE MADERA
1.4.8.3.3.2 PILAS DE CONCRETO
En la ingeniería de cimentación el término Pila tiene dos significados diferentes:
• Una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función igual al de
una zapata, es decir, transmitir las cargas a un estrato capaz de soportarla, sin
peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en
76
contraste con una zapata, la relación de la profundidad y del ancho de una pila
de cimentación es mucho mayor que el de una zapata.
• Una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la
superestructura de un puente. Usualmente la pila sobresale de la superficie del
terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel
superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición puede
considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada
en una cimentación adecuada.
La base de una pila puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar
apoyada en pilotes o micropilotes. Un cuerpo de pila situado en el extremo de un puente
y sujeto al empuje de la tierra se denomina “estribo”.
Las pilas se clasifican de acuerdo con la manera de transmitir la carga estructural al
suelo adyacente (ver fig. 1.18). Pueden ser:
- Pila de eje recto: se extienden a través de un estrato superior de suelo pobre, y
su punta descansa sobre un estrato de suelo, con fuerte capacidad de carga o en
roca. La pila se adema con tubos de acero cuando se requiere (como los pilotes),
para estas pilas, la resistencia de la carga aplicada se desarrolla en la punta y
también en la fricción lateral en el perímetro del fuste e interfaz del suelo. Las
pilas rectas también se extienden en un estrato de roca subyacente.
- Pila de campana: consiste en una pila recta con una campana en el fondo que
descansa sobre el suelo de buena capacidad de carga. La campana se construye
en forma de domo ó con lados inclinados. Para este caso los trépanos
comercialmente disponibles forman ángulos de 30º y 45º con la vertical.
Ecuación general para el cálculo de capacidad de carga:
Qp = Ap (cNc* + q´Nq* + 0.3γDbNγ*) donde:
Qp: capacidad de carga de la pila Ap: área de la punta de la pila
c: cohesión del suelo que soporta la punta de la pila q´: esfuerzo vertical efectivo al nivel del fondo de la pila perforada Nc*, Nq* Nγ*: factores de capacidad de carga
γ: densidad Db: diámetro de la base
77
Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar y que generalmente tienen un diámetro
aproximadamente de 750 mm ó más. El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene
las siguientes ventajas:
- Se puede usar una sola pila de concreto en vez de un grupo de pilotes.
- Se construyen antes que las operaciones de nivelación estén completas.
- Cuando se hincan pilotes con un martinete, las vibraciones del terreno ocasionan
daños a estructuras cercanas, lo que no ocurre con las pilas.
- No hay ruido de martilleo durante su construcción.
- Como la base de una pila de concreto puede ampliarse, esto proporciona una
gran resistencia a la carga de levantamiento.
- La superficie sobre la cual la base de la pila se construye, puede ser
inspeccionada visualmente.
- Las pilas de concreto tienen alta resistencia a las cargas laterales.
FIG. 1.18 TIPOS DE PILA
78
CAPITULO 2
ESTUDIO DE LAS ZONAS CON SUELOS
COMPRESIBLES
2.1 RECOPILACIÒN Y CLASIFICACIÒN DE ENSAYOS DE LABORATORIO
Para determinar las zonas con suelos compresibles en la ciudad de San Miguel*, se ha
realizado la recopilación de sondeos (SPT) existentes en el Departamento de Ingeniería
de la Alcaldía Municipal de San Miguel, el cual solicita dichos estudios como requisito
para la construcción de una obra civil**.
Los estudios de suelos recopilados han sido solicitados por personas naturales o
jurídicas a los distintos laboratorios autorizados que prestan sus servicios en nuestro
país, entre los cuales tenemos: Suelos y Materiales S.A. de C.V, Geoconsa S.A. de
C.V., Rivera Harrouch S.A., Ingenieros Civiles Asociados S.A. de C.V., Servicios
Profesionales Berganza Ingenieros Arquitectos S.A. de C.V., Instituto Tecnológico
Centroamericano, GEOINTEC, Consultora Técnica S.A., y otros. Estas pruebas
determinan las características y propiedades de los suelos encontrados, estableciendo de
alguna manera las posibles soluciones y recomendaciones que se deben considerar para
la cimentación.
Entre los ensayos comúnmente efectuados para determinar las características y
propiedades del suelo para la cimentación, están:
- Límites de Atterberg, ASTM D-4318
- Clasificación de suelos, ASTM D-3282
- Proctor Estándar, ASTM D-698
- Prueba de Penetración Estándar, ASTM D-1586
* Ver representación gráfica en Mapa de Macrolocalización de los sondeos recopilados. ** Requisito necesario para edificaciones mayores de dos niveles.
79
Los sondeos recopilados fueron realizados entre el 10 de marzo de 1990 hasta el 23 de
diciembre de 2002, haciendo un total de 67 ensayos de Penetración Estándar.
En esta investigación las zonas en estudio de la ciudad de San Miguel se encuentran
comprendidas en tres áreas:
- Área Urbana: es aquella extensión de suelo afectada por el desarrollo urbano
actual, prevista para absorber el crecimiento de la ciudad. Al mismo tiempo son
los suelos que están constituidos por un centro poblado que goza de todos los
servicios públicos.
- Área Semiurbana: es la extensión de suelos aledaños a los urbanos que goza de
la factibilidad de dotación de servicios públicos, de acuerdo al plan de desarrollo
urbano.
- Área Potencialmente Urbana: es la extensión de suelos aledaños a los
semiurbanos que gozan o no de algún tipo de servicio público, en los cuales se
prevé un crecimiento urbano de acuerdo al plan de desarrollo.
A continuación se detallan las etapas para la realización de la estratigrafía encontrada de
los estudios de laboratorio:
- Etapa 1, Ubicación de sondeos: se realizó la ubicación de cada uno de los
ensayos en el mapa de macrolocalización de la ciudad de San Miguel (Instituto
Geográfico Nacional, hoja 2556 II NW, Escala 1:7,500).
- Etapa 2, Digitalización de datos: se procedió a la realización de una tabla en
modelo digital para establecer: nombre del proyecto, ubicación, número de
sondeos (valores de N), profundidad de sondeos y estratigrafía encontrada (ver
Anexo N-1).
- Etapa 3, Trazado de ejes: la ciudad de San Miguel fue divida en cuatro
cuadrantes, tomando como referencia los ejes y prolongaciones de la Calle
Chaparrastique y la Av. José Simeón Cañas, esta información es proporcionada
por la Alcaldía Municipal de San Miguel, razón por la cual se establecieron de
esta manera en la investigación cuatro zonas.
80
- Etapa 4, Nomenclatura: para la identificación de las zonas, se procedió a su
nomenclatura, llamándose Zona 1, la ubicada al suroeste de los ejes establecidos.
Tomando como referencia esta zona y en sentido horario se procedió a nombrar
las demás zonas. Determinando como Zona 2, la ubicada al noroeste de los ejes;
Zona 3 ubicada al noreste y Zona 4 ubicada al sureste.
- Etapa 5, Promedios Estratigráficos: una vez establecidas las zonas se
ordenaron los estudios de laboratorio debidamente zonificados, obteniendo de
cada uno de los ensayos el tipo de estratigrafía promedio (@ 1.0 mt) a una
profundidad variable de 0.0 a 9.0 mts. (Ver Anexo N-1)
- Etapa 6, Estratigrafía Final Zona 1: para obtener el promedio estratigráfico
final de la clasificación y número de golpes N, se inició con la Zona 1 de la
siguiente manera: con los promedios obtenidos en la etapa 5, se ordenaron cada
uno de ellos de forma horizontal (promedios) relacionados con la profundidad,
dando como resultado una tabla final de clasificación de suelos de la zona y el
número de golpes N. (Ver tabla clasificación de suelos, pág.81)
- Etapa 7, Estratigrafía Final Zonas 2 a 4: para el promedio estratigráfico final
de las Zonas 2, 3 y 4 se hizo el mismo procedimiento anterior. (Ver tablas
clasificación de suelos, págs.83,85,87)
- Etapa 8, Mapa de Zonificación Promedio: como una representación gráfica de
la estratigrafía final encontrada en las cuatro zonas, se procedió a realizar un
Mapa de Zonificación de suelos de la ciudad, tomando como referencia los
mapas de macrolocalización de ubicación de sondeos recopilados. Luego se
definieron las clasificaciones predominantes por cada ensayo en toda su
profundidad e identificando finalmente el suelo de las zonas.
90
2.1.1 CONCLUSIONES DE LAS ZONAS DE ACUERDO A LOS ENSAYOS
RECOPILADOS
De acuerdo a los ensayos de laboratorio recopilados y debidamente zonificados entre los
límites establecidos, se ha logrado determinar lo siguiente:
- Se ha podido observar con el promedio estratigráfico de cada una de las zonas, la
presencia de material arcilloso en combinación con limos y arenas, que son de más
representatividad en todas las zonas y variables en relación a su profundidad.
- En relación al promedio de los “N” (resistencia a la penetración) de cada zona, se
han obtenido valores satisfactorios para cimentaciones superficiales a una
profundidad de 2.0 mts.
- Con los datos obtenidos, se determina que en la zona 2, se encuentran los suelos
más desfavorables o compresibles, para la cimentación, por lo que es la que nos
puede dar mayor problema en la construcción de grandes estructuras, y es en esta
zona donde se han utilizado la mayor cantidad de pilotes en la ciudad de San
Miguel.
- Para la zona 1, 3 y 4, los desplantes en la excavación deberán de andar por el orden
de 1.0 mt, para poder sobrepasar los suelos sueltos de la superficie, que se
encuentran a esa profundidad.
- Para zonas antes mencionadas, se puede optar por otra alternativa, que es de
sustituir los suelos sueltos por material adecuado y compactado ó estabilizado.
- Por falta de estudios de laboratorio en todas las zonas, no se puede considerar la
información de los promedios estratigráficos para realizar cimentaciones, sino que
se debe tomar ésta, como parámetros del posible material a encontrar y su
resistencia a la penetración.
- Se recomienda al constructor, realizar estudios de laboratorio en los lugares donde
se pretenda cimentar, asegurando con esto el tipo de cimentación adecuada a
emplearse.
91
2.2 ENSAYOS REQUERIDOS PARA LA PROPUESTA DE DISEÑO
Como parte de esta investigación, se ha requerido para el diseño de cimentaciones
profundas, la realización de pruebas de laboratorio mediante sondeos de Penetración
Estándar (SPT) normalizados por ASTM D1586-92. Este tipo de sondeo consiste en
introducir un toma muestras al interior de un sondeo realizado previamente, determinando
la resistencia del suelo a la penetración, al tiempo que permite obtener una muestra
representativa para su investigación.
Los ensayos fueron realizados por el laboratorio “Ingenieros Civiles y Asociados, S.A. DE
C.V. (ICIA)”, en los siguientes lugares previamente establecidos*:
a) Sondeo S-1, correspondiente a la zona 4, fue realizado en la colonia Carrillo, en la
carretera que conduce de ciudad de San Miguel a La Unión, a 1 Km de la salida
del Puente Luis de Moscoso y a 15.90 mts perpendicular al borde de la carretera
en el lado derecho.
b) Sondeo S-2, correspondiente a la zona 1, fue realizado en el Centro de Gobierno
Municipal de San Miguel, en las cercanías de la cancha de fútbol y construcción
existente, ubicado a 18.70 mts al norte de la caseta y a 4.50 mts al sur en dirección
al cordón de concreto simple.
c) Sondeo S-3 y S-3A, correspondiente a la zona 3, realizados en predio valdío
colindante a la carretera que conduce de San Miguel a Santa Rosa de Lima, frente
a Resortes de Oriente, el sondeo S-3 está ubicado 30 mts al norte y perpendicular
al borde de la carretera y el sondeo S-3A. ubicado en la misma dirección y a 1.50
del sondeo S-3.
d) Sondeo S-4, correspondiente a la zona 2, ubicado en la Lotificación El Obrajuelo
en el Km.131 de la Carretera Panamericana CA:1, a 35 mts perpendicular al borde
izquierdo de la carretera.
e) Sondeo S-5, correspondiente a la zona 1, ubicado en el Hotel Trópico Inn.
* Ver anexo N-2, Ensayos SPT para las Zonas en Estudio.
92
Para la determinación de la ubicación de estos ensayos* que servirán para nuestro diseño
tipo de cimentaciones, se recurrió al Plan Maestro de Desarrollo Urbano de la Ciudad de
San Miguel (PADCO-ESCO), establecido para los años de 1996 al 2015, el cual comprende
el desarrollo zonificado de acuerdo al uso del suelo existente.
A continuación se muestra el Mapa de Uso del Suelo elaborado por la empresa SISM/SIG:
* Ver anexo N-3, Ubicación Espacial de Sondeos SPT en San Miguel.
93
En relación al mapa mostrado anteriormente, los sondeos realizados en cada una de las
zonas*, corresponden de acuerdo al uso del suelo, de la siguiente manera:
- Zona 1: sondeo S-2, ubicado en el Centro de Gobierno, tenderá a ser usado para el
desarrollo de tipo Institucional. Sondeo S-5, ubicado en el Hotel Trópico Inn,
tenderá a ser usado para el desarrollo de tipo Comercial, con lo cual se comprueba
el comercio actual en esta zona, que podrá ser usado para construcciones nuevas,
remodelaciones y otros.
- Zona 2: sondeo S-4, ubicado en Lotificación El Obrajuelo. Este sondeo queda fuera
de nuestra zona de estudio, ya que donde fue realizado corresponde al Municipio de
Quelepa. Actualmente en este sector se está generando la industria, por lo que se ha
proyectado de acuerdo a las condiciones del lugar un desarrollo de tipo Industrial.
- Zona 3: sondeo S-3 y S-3A., ubicados frente a Resortes de Oriente, tenderá a ser
usado para el desarrollo de tipo Residencial Media o Agrícola.
- Zona 4: sondeo S-1, ubicado en la colonia Carrillo, es en esta parte de la zona
donde se prevé un desarrollo del suelo de tipo Industrial, ya que se espera un mayor
comercio entre los departamentos de San Miguel y La Unión debido a la
construcción del Puerto de Cutuco.
2.3 RESULTADOS OBTENIDOS
Se realizaron 5 sondeos del tipo Penetración Estándar (SPT), a una profundidad de
exploración variable máxima entre 2.50m y 6.50m., con este tipo de ensayos se establece la
resistencia del suelo (valor de “N” golpes/30cm), así como se obtiene un muestreo continuo
del mismo. Las muestras recuperadas fueron trasladadas al laboratorio para sus respectivos
análisis.
94
El tipo de material predominante obtenido en cada uno de los sondeos fue*:
- Zona 1, sondeo S-2: arena limosa café oscuro con gravilla (SC) a una profundidad
de 0.50 a 5.0m.. S-5: arena arcillosa café oscuro (SC) y arena limosa café oscuro
con restos de roca (SM), a una profundidad de 0.5 a 3.0m y de 3.0 a 4.5m,
respectivamente.
FOTOGRAFIA 2.0 ZONA 1
SPT, Centro de Gobierno. San Miguel, 2004.
95
- Zona 2, sondeo S-4: arena arcillosa café oscuro, saturada (SC) y arena mal
graduada saturada (SP); a una profundidad de 1.0 a 4.0m y 4.0 a 5.0m,
respectivamente.
FOTOGRAFIA 2.1 ZONA 2
Notificación El Obrajuelo Km.131. San Miguel, Quelepa.
96
- Zona 3, sondeo S-3 y S-3A.: arcilla arenosa café oscuro de alta plasticidad (CH) y
limo arcilloso café oscuro de alta plasticidad (MH); a una profundidad de 0.0 a 1.0m
y de 1.0 a 2.0m, respectivamente.
FOTOGRAFIA 2.2 ZONA 3
Material arcilloso predominante, frente Resortes de Oriente. Colonia La Carmenza, San Miguel.
97
- Zona 4, sondeo S-1: limo arenoso café oscuro de alta plasticidad (MH) a una
profundidad de 1.0 a 6.0m.
FOTOGRAFIA 2.3 ZONA 4
Recuperación de material. Colonia Carrillo, San Miguel.
A continuación se presenta en la tabla 2.0 el resumen de la Capacidad de carga admisible y
resistencia no confinada del subsuelo, la cual deberá considerada en el diseño de
cimentaciones profundas:
* Ver anexo N-2, Ensayos SPT para las Zonas en Estudio.
98
TABLA 2.0 RESULTADOS CAPACIDADES DE CARGA ADMISIBLES.
Sondeos Profundidad
(mts) S-1 S-2 S-3 S-3A S-4 S-5
0.50 0.4 1.7 1.2 1.3 4.3 0.6
1.00 0.3 1.3 4.0 3.2 4.0 1.2
1.50 1.0 0.8 4.0 4.0 1.9 0.9
2.00 1.7 1.3 4.0 4.0 1.1 2.0
2.50 2.7 1.9 4.0 4.0 0.7 0.7
3.00 3.7 4.8 0.5 1.0
3.50 4.0 2.6 0.5 0.6
4.00 4.0 3.0 5.0 3.5
4.50 3.1 4.6 5.0 5.0
5.00 3.6 5.0 5.0 5.0
5.50 4.0 5.0 5.0
6.00 4.0
6.50 4.0
Capacidades de Carga, Kg/cm² según la profundidad de penetración.
El cálculo de las capacidades de carga establecidas en la tabla anterior, fueron realizados
por el laboratorio de Ingenieros Civiles y Asociados, S.A. de C.V.; determinando en cada
uno de los estratos la capacidad máxima de la resistencia a la penetración, en los sondeos
realizados.
99
CAPITULO 3
DISEÑO Y PROCESOS CONSTRUCTIVOS
3.1 DISEÑO TIPO DE PILOTES
Para el diseño tipo de pilotes, se ha basado la investigación en los resultados de laboratorio
proporcionados por ICIA S.A. de C.V. (Anexo N-2), encontrándose como la zona 1,
ubicada en El Centro de Gobierno, como la que reúne las condiciones más desfavorables y
en consecuencia el uso de pilotaje para la construcción de un edificio de cuatro o más
niveles. Al mismo tiempo se realizarán dos diseños adicionales, los cuales se realizarán en
la zonas 2 y 3, conforme a los ensayos recopilados en el Departamento de Ingeniería de la
Alcaldía Municipal de San Miguel.
3.1.1 RESISTENCIA DEL PILOTE
En los datos obtenidos mediante los sondeos de penetración estándar para la zona 1,
encontramos la presencia de material arcilloso en los distintos estratos, por lo que, de
acuerdo a esas condiciones, procederemos al cálculo de la resistencia por punta del pilote,
según Meyerhof (1976, presenta la ecuación en forma matemática análoga a la de Terzaghi,
a partir de un mecanismo de falla distinto. La diferencia radica principalmente en el cálculo
de los factores de seguridad):
EJEMPLO PARA LA ZONA 1: Se utiliza la fórmula de resistencia de la punta del pilote, asumiendo que el pilote colado in
situ tiene un funcionamiento similar, ya que se apoya sobre un suelo firme.
De la Ecuación Meyerhof, Capítulo 2, pág. 62, tenemos:
Qp = Ap (cNc* + q´Nq*)
100
donde: Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote
c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote
Nc*, Nq*: factores de capacidad de carga
Datos:
• En el estudio de suelos ICIA S.A. DE C.V. (Anexo N-2), se recomienda el diámetro
del pilote igual a 30 cms, por lo que:
D = 0.30 m, diámetro del pilote
• Cálculo de área del pilote:
Ap = πD²/4
Donde:
Ap = área del pilote
π = 3.1416
D = diámetro del pilote = 0.30 m
Sustituyendo en ecuación:
Ap = 3.1416 (0.30m)² / 4 = 0.0706 m²
• Cálculo de la cohesión, de acuerdo a la fórmula empírica utilizada por los
laboratorios nacionales basada en los ensayos y experiencias realizadas en el país.
c = Qu / 2
Donde:
c = cohesión del suelo
Qu = 5 kg/cm², capacidad última de carga del suelo donde se apoyará el pilote. (Ver tabla
2.0, pág. 98, sondeo S-2)
Sustituyendo en ecuación tenemos:
c = 5 kg/cm² / 2 = 25,000 kg/m²
101
• Para el cálculo del ángulo de fricción interna del suelo, se utilizan los valores
propuestos para arcillas en condiciones consolidadas (ver tabla 1.3, pág. 28).
Ø = 30°
• Los factores de seguridad de carga de Meyerhof, han sido tomados de acuerdo al
ángulo de fricción interna del suelo y son adimensionales, por lo que se tiene (ver
tabla 1.10, pág. 62):
Nc* = 30.14
Nq* = 18.40
• La profundidad de desplante ó longitud del pilote Df, fue recomendada por el
laboratorio de suelos, basados en la capacidad del suelo a esa profundidad y los
resultados N de penetración estándar:
Df = 4.0 m
• Otro dato a tener en cuenta es el peso volumétrico del material (γ), para este caso se
ha obtenido el dato según la tabla 1.4, pág. 33, arcillas firmes o consolidadas, por lo
tanto tenemos:
γ = 1,700 kg/m³
• Para obtener el esfuerzo vertical en la punta del pilote, se calcula multiplicando la
longitud del pilote por el peso volumétrico de la arcilla consolidada a esa
profundidad:
q´ = Df . γ
Donde:
q´= esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote
Df = profundidad de desplante o longitud del pilote
γ = peso volumétrico del material
Sustituyendo en ecuación:
q´ = 4.0 x 1,700 = 6,800 kg/m²
102
• Como factor de seguridad para el empleo de pilotes, se han seguido los lineamientos
referenciados en el Manual de Cimentaciones Profundas de la Sociedad Mexicana
de Mecánica de Suelos, el cual sugiere utilizar el valor 3, para condiciones normales
de servicio (ver pág. 64) :
FS = 3.0
Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación de Meyerhof, tenemos:
Qp = 0.0706 m² (25,000 kg/m² (30.14) + 6,800 kg/m² (18.40))
= 0.0706 m² (753,500 kg/m² + 125,120 kg/m²)
= 0.0706 m² (878,620 kg/m²)
Qp = 62,030.57 kg
Teniendo la capacidad de carga del pilote, procedemos al cálculo de su capacidad admisible
de carga:
Qadm = Qp/ FS
Donde:
Qadm = capacidad de carga admisible
Qp = capacidad de carga del pilote
FS = factor de seguridad
Sustituyendo en ecuación tenemos:
Qadm = 62,030.57 kg / 3 = 20,676.80 kg
Qadm del laboratorio = 20.0 Ton ó 20,000 kg (ver Anexo N-2)
103
3.1.1.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN EL ESFUERZO CORTANTE
ENTRE EL GRUPO DE PILOTES Y LA ZAPATA.
Los pilotes se distribuyen generalmente bajo las zapatas en grupos, uno bajo cada columna.
El grupo se corona con una zapata de distribución, el cual distribuye la carga de la columna
a todos los pilotes del grupo. Esta interacción de pilotes, son en muchos aspectos similares
a las zapatas sobre el suelo, excepto por dos características: la primera, que las reacciones
en la zapata actúan como cargas concentradas sobre los pilotes individuales, en vez de
hacerlo como presiones distribuidas. La segunda, si el total de todas las reacciones de los
pilotes de un grupo se divide por el área de la zapata para obtener una presión uniforme
equivalente, se encuentra que esta presión es sustancialmente mayor en la zapata que
corona el grupo de pilotes que en las zapatas superficiales.
Por lo anterior, se determina que los momentos, y en particular los cortantes, también son
mayores en forma recíproca, lo cual exige mayores alturas de zapata que para aquéllas
superficiales con dimensiones horizontales similares. Con el fin de distribuir la carga a
todos los pilotes de manera uniforme, es aconsejable en todo caso suministrar rigidez
considerable, es decir, un buen espesor de la zapata que corona el grupo de pilotes.
Para el cálculo de la porción efectiva Re disponible para resistir las cargas no mayoradas de
las columnas, es igual a la carga admisible del pilote (Qadm) menos el peso de la zapata,
del relleno y la sobrecarga por pilote, entonces obtenemos:
Re = Qadm – Wf
Donde:
Re = Reacción efectiva
Qadm = Carga admisible del pilote
Wf = Peso de la zapata, relleno y sobrecarga dividido por el número de pilotes.
La cantidad y ubicación de los pilotes en dicho grupo se determina mediante
aproximaciones sucesivas, partiendo de la condición de que la carga en el pilote sometido a
104
mayor carga no debe exceder la carga admisible del pilote. Con una distribución lineal de
cargas en los pilotes a causa de la flexión, la máxima reacción de un pilote es:
Rmax = P/n + M/Ipg/c
Donde:
P = carga máxima (incluye peso de la zapata, relleno, etc)
M = momento que debe resistir el grupo de pilotes
Ipg = momento de inercia del grupo completo de pilotes con respecto al eje
centroidal alrededor del cual se produce la flexión.
n = número de pilotes
c = distancia desde eje hasta el pilote más alejado.
Los pilotes se distribuyen generalmente en patrones ajustados, que minimizan el costo de la
zapata de coronamiento, pero no pueden colocarse a espaciamientos menores que los
permitidos por las condiciones de hinchamiento. Se acostumbra a utilizar un espaciamiento
aproximado de tres veces el diámetro de la cabeza del pilote, pero no menor de 60 cms.
Comúnmente los pilotes con cargas admisibles entre 30 y 70 toneladas están espaciados a
90 cms.
El diseño de las zapatas sobre pilotes es similar al de zapatas para columnas individuales.
Un método consiste en diseñar la sección de la zapata para las reacciones de los pilotes
calculadas con las cargas de las columnas mayoradas. Para un grupo de pilotes cargado en
forma concéntrica, se recomienda tomara una reacción del pilote para el diseño a la
resistencia igual a:
Ru = Re x factor de carga
Donde:
Factor de carga = (1.4D + 1.7L)(D+L)
De este modo, la zapata de coronamiento del grupo de pilotes se diseña para que sea capaz
de desarrollar la capacidad admisible del grupo de pilotes. El espesor es controlado por
cortante. Con respecto a esto debe tenerse en cuenta tanto el cortante por punzonamiento o
105
en dos direcciones, como el cortante por flexión o en una dirección. El cortante se produce
por las reacciones concentradas de los pilotes en el lugar de las presiones distribuidas de
contacto. Por lo tanto, para calcular el cortante si la sección crítica interfecta la
circunferencia de uno o más pilotes, el código del ACI 15.5.3 tiene en cuenta el hecho de
que la reacción del pilote no es en verdad una carga puntual, sino que se distribuye sobre el
área de contacto del pilote. De acuerdo con esto, el código establece le siguiente para
pilotes con diámetro dp:
El cálculo del cortante en cualquier sección a través de una zapata sobre pilotes se debe
realizar de acuerdo con lo siguiente:
- La reacción total de cualquier pilote cuyo centro se localice a una distancia dp/2 ó
mayor por fuera de esta sección debe considerase que produce cortante en esta
sección.
- La reacción de cualquier pilote cuyo centro se localice a una distancia de dp/2 ó
mayor por dentro de la sección debe considerarse que no produce cortante en esta
sección.
- Para posiciones intermedias del centro del pilote, la porción de reacción del pilote
que se considera que produce cortante en la sección debe basarse en una
interpolación lineal entre el valor total dp/2 por fuera de la sección y cero a dp/2
dentro de la sección.
Además de verificar el cortante en dos direcciones y en una dirección, como se describió
anteriormente, también debe investigarse el cortante por punzonamiento para el pilote
individual. Particularmente en el caso de la zapata sobre una pequeña cantidad de pilotes
sometidos a cargas considerables, el espesor requerido pude quedar controlado por la
posibilidad de punzonamiento del pilote hacia arriba a través de la zapata. El perímetro
crítico para esta acción se localiza de nuevo a una distancia d/2 por fuera del borde superior
del pilote. Sin embargo, para zapatas con espesores relativamente grandes y con pilotes
muy cercanos entre sí, los perímetros críticos alrededor de los pilotes adyacentes pueden
106
traslaparse. En este caso, el fracturamiento, si se presenta, ocurrirá indudablemente a lo
largo de una superficie inclinada hacia afuera o alrededor de los dos pilotes adyacentes.
Fuente: Diseño de Estructuras de Concreto, 2003.
3.1.2 EFICIENCIA DE GRUPO DE LOS PILOTES
Según el libro Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001: “La
determinación de la capacidad de carga del grupo de pilotes es extremadamente
complicada, y no se ha resuelto todavía por completo. Cuando los pilotes se colocan cerca
uno de otro, una razonable hipótesis es que los esfuerzos transmitidos por los pilotes al
suelo se traslapan, reduciendo así la capacidad de carga de los pilotes. Idealmente, los
pilotes en un grupo deben espaciarse de manera que la capacidad de carga del grupo no sea
menor que la suma de sus capacidades individuales. En la práctica, la separación mínima de
centro a centro de los pilotes es 2.5D y en situaciones ordinarias es aproximadamente es 3D
y 5D. (D = diámetro del pilote)”.
EJEMPLO PARA LA ZONA 1:
Para el cálculo de la eficiencia de grupo de pilotes, es necesario considerar un número de
pilotes que resistirán las cargas que soportan las zapatas. Para este caso, se ha establecido
una carga de 80 ton, que llegan a una zapata de 1.25m x 2.5m:
Hay diferentes fórmulas para calcular la eficiencia, consideraremos la fórmula establecida
por Feld (Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001), en la cual la
capacidad de carga del pilote se reduce en 1/16 por cada diagonal adyacente o fila de
pilotes:
De la carga total establecida de 80 ton, se requerirán teóricamente la cantidad de 4 pilotes,
resistiendo cada uno de ellos 20 ton.
107
Por lo anterior se requiere verificar la pérdida de carga de los pilotes trabajando en grupo,
determinando su eficiencia de la siguiente manera:
η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%
Donde:
η = eficiencia del grupo de pilotes
Qadm = capacidad de carga admisible del pilote = 20 ton.
Xi = sumatoria de la capacidad admisible perdiendo cada uno 1/16 por cada pilote en fila o
adyacente. Para cada pilote tenemos una perdida en grupo de 3/16.
Sustituyendo datos en la ecuación de eficiencia del grupo de pilotes tenemos para 4 pilotes:
η = 100% - Σ (20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16)
= 100% - 15%
η = 85% (eficiencia del grupo de pilotes)
Teniendo la eficiencia del grupo de pilotes, es necesario conocer la capacidad de carga del
grupo
Qg = Qadm . η . Npilotes
Donde:
Qg = carga de grupo de pilotes
P = Pérdida del pilote = 3/16
1/16 1/16
1/16P
108
Npilotes = numero de pilotes (4)
Sustituyendo de la ecuación:
Qg = 20ton(85%)(4)
Qg = 68 ton.
Teniendo una capacidad de carga menor que la establecida por la estructura que es de 80
ton. Se establece matemáticamente: lo siguiente que con 4 pilotes obtenemos una carga
menor de 80 ton, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su
diámetro:
Aumentando 1 pilote a la zapata:
Eficiencia para grupo de 5 pilotes:
η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%
= 100% - Σ (20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 4/16)
= 100% - 20%
η = 80% (eficiencia del grupo de pilotes)
Carga total del grupo de 5 pilotes:
Qg = Qadm . η . Npilotes
= 20 ton (80%) (5)
Qg = 80 ton
P = Pérdida del pilote = 4/16
1/16 1/16
1/16
P
1/16
109
Se concluye que aumentando un pilote logramos la carga necesaria de 80 ton que soportará
la estructura, mediante el grupo de 5 pilotes.
3.1.3 DISEÑO ESTRUCTURAL DE CADA PILOTE COLADO IN SITU
El diseño estructural de cada pilote estará regido bajo la normativa del ACI 318R-2002, y
específicamente las secciones siguientes:
- Sección 7.6 “Límites para el espaciamiento del acero de refuerzo”, subsección 7.6.3
“En elementos reforzados con espirales, o en miembros a compresión reforzados
con anillos, la distancia libre entre varillas longitudinales no será menor de 1.5db
(diámetro de la varilla), ni de 4 cms”.
Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 30 cms.
2.50 mts
1.25 mts
Pilote 30 cms
Zapata aislada
110
- Sección 7.7 “Protección de concreto para el acero de refuerzo”, subsección 7.7.1
“Concreto colado en obra. El concreto colado en contacto con el suelo y
permanentemente expuesto a él, tendrá un recubrimiento mínimo de 7.5 cm”
- Sección 7.10.4 “Espirales. Acero de refuerzo en espiral para elementos a
compresión”, subsecciones:
a) 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe
ser menor de 1.0 cm”.
b) 7.10.4.3 “El espaciamiento libre entre espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser
menor a 2.5 cm”.
c) 7.10.4.4 “El anclaje del refuerzo en espiral se deberá aumentar 1.5 vueltas más de la
varilla o del alambre en cada extremo de la unidad espiral”.
d) 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en espiral, estos serán una longitud de 48 db, pero
no menor de 30 cm, o se soldarán”.
- Sección 9.3 “Resistencia de Diseño”, subsección 9.3.2 “Factor de reducción de
resistencia, φ, debe ser el siguiente: compresión axial y flexocompresión axial:
elemento con refuerzo en espiral 0.75”.
- Sección 10.9 “Limites de acero de refuerzo para elementos sujetos a compresión”,
subsecciones:
a) 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos
sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.08 veces el área
total de la sección”.
b) 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a
compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3
varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”.
- Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La
longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c.
111
CÁLCULO DEL ACERO DE REFUERZO, PILOTE EN LA ZONA 1:
Los pilotes serán colados in situ y de 30 cms, con una longitud Df=4.0 mts. Como
consideraciones de diseño especificada (ACI 318R-2002, Capitulo 2, sección 2.1), para el
concreto y el acero tenemos:
f´c = 210 kg/cm², Resistencia a la compresión especificada del concreto.
f´y = 2,800 kg/cm², Resistencia mínima a la fluencia del acero.
El cálculo del acero de refuerzo mínimo de cada pilote, será determinado por los siguientes
métodos:
a) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos
diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ:
As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y
Donde:
As: acero mínimo de refuerzo
Qadm: capacidad admisible de carga del pilote
Ap: área de la sección del pilote
f´c: esfuerzo a la compresión del concreto
f´y: esfuezo de fluencia del acero
φ: factor de reducción
Datos:
• Capacidad admisible de carga del pilote (Qadm): 20 ton ó 20,000 kg, según el
cálculo de resistencia del pilote, pág. 102
• Área del pilote (Ap): para un pilote de 30 cms de diámetro, es igual a 706.86 cm²,
pág. 100
• Resistencia a la compresión (f´c): 210 kg/cm²
112
• Resistencia a la fluencia del acero (f´y): 2,800 kg/cm²
• Factor de reducción (φ): según ACI 318R-2002, sección 9.3 “Resistencia de
Diseño”, subsección 9.3.2, es igual a 0.75 (adimensional).
Sustituyendo en ecuación tenemos:
As = (20,000 kg – 0.60(706.86 cm²)(210 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²)
= (20,000 – 89,064.36) / 2,100
= -69,064.36 / 2,100
As = -32.88 cm²
Como el valor de As es negativo, se tomará como porcentaje mínimo de acero: 0.01 (ACI
318R-2002: sección 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no
compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el
área total de la sección”), entonces tenemos:
As = 0.01 (706.86 cm²)
As = 7.07 cm²
b) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo
las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente
ecuación:
As = 0.01 Ag
Donde:
As: acero mínimo de refuerzo
Ag: área gruesa de la sección del pilote
0.01: porcentaje mínimo de reducción.
113
Se ha establecido la ecuación anterior, de acuerdo a la siguiente sección del ACI:
- 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos
sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área
total de la sección”.
Datos:
• Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección
del pilote Ap, entonces tenemos: 706.86 cm².
Sustituyendo datos en ecuación tenemos:
As = 0.01 (706.86 cm²)
As = 7.07 cm², área de refuerzo mínima requerida.
Luego se procede al cálculo de varillas del pilote de acuerdo al ACI:
- Sección 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a
compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3
varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”.
Para esta sección tomaremos como mínimo 6 varillas longitudinales, así:
Área ؽ” = 1.29 cm² x 6 varillas
Área ؽ” = 7.74 cm², equivalente al As.
Luego se realiza el cálculo de la longitud de desarrollo que se anclará entre la zapata y el
pilote de la siguiente manera:
ACI Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La
longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. Además no deber ser menor de
20 cms, sección 12.3.1.
114
Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c
= (0.075 (1.27)(2,800))/ √210
= 18.40 cm < 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 20 cms.
Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2
“Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de
1.0cm”.
Estribo de espiral = Ø3/8” ó No.3
El traslape del estribo de espiral según el ACI sección 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en
espiral, estos serán una longitud de 48 db (diámetro varilla), pero no menor de 30 cm, o se
soldarán”. Por lo tanto tenemos:
Traslape = 48 (0.952) = 45.70 cms > 30 cms, no requiere soldadura
La separación del espiral según ACI sección 7.10.4.3: “El espaciamiento libre entre
espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. Por lo que queda a criterio del
diseñador, y con lo cual sugerimos:
Separación normal del espiral = 7.5 cms
Separación en área de confinamiento = 5.0 cms
115
DETALLE SIN ESCALA DE ARMADO DEL ACERO DE REFUERZO
Ldb = 20 cms, según cálculo mediante ACI sección 12.3. Doblado a 90°
Separación normal de espiral 7.5 cm
Df = 4.0 mts
Zona confinamiento 50 cms, sepación espiral 5.0 cms
30 cm
6 No.4, según ACI sección 10.9.2 y espaciamiento distribuido uniforme en diámetro interno de 22,5 cm.
Estribo de Espiral No.3, según ACI sección 7.10.4.2
Zapata aislada
Recubrimiento de 7.5 cm, según ACI sección 7.7
Empotramiento entre pilote y zapata no menor de 5cm
Concreto vibrado f´c = 210 kg/cm2
Terreno Natural
30 cms.
116
EJEMPLO PARA LA ZONA 2
Se ha determinado el sondeo número 18 de la tabla estratigráfica del promedio de esta zona,
la presencia de materiales arcillosos inorgánicos de alta plasticidad (CL-CH) a una
profundidad de 7mts y N=40, por lo que para poder cimentar una edificación de 95 ton, se
requiere del uso de cimentaciones profundas (pilotes), para llegar a ese estrato resistente.
A continuación se procede al cálculo de la capacidad de carga del pilote, haciendo uso
nuevamente de la ecuación 1:
Qp = Ap (cNc* + q´Nq*)
Donde:
Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote
c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote
Nc*, Nq*: factores de capacidad de carga
Datos:
• Se asume para diferenciar el ejemplo 1, un diámetro del pilote de 0.40 mts.
D = 0.40 m
• Cálculo del área del pilote:
Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.40m)² / 4 = 0.126m²
• Para calcular la capacidad de carga del suelo, hacemos uso de la tabla 1.6, pág. 45,
la cual correlaciona el “N” número de golpes. En esta zona tenemos un promedio de
N=40, entonces:
Qu =3.8 kg/cm²
• Cohesión empírica:
c = Qu / 2
117
Sustituyendo en ecuación:
c = 3.8 kg/cm² / 2 = 19,000 kg/m²
• Angulo de fricción interna, de la tabla 1.3, pág. 28, encontramos para este tipo de
material valores de 20 a 30, por lo cual consideramos:
Ø = 28°
• Factores de seguridad de Meyerhof para un ángulo de 28°, tabla 1.10, pág. 62:
Nc* = 25.80
Nq* = 14.72
• Profundidad de desplante o longitud del pilote, representa la profundidad de 7.0 mts
menos 2.0 mts teóricos del desplante de la cimentación superficial:
Df = 5.0 m
• Peso volumétrico del material:
γ = 1,700 kg/m³
• Esfuerzo vertical del pilote:
q´ = Df . γ
q´ = 5.0 x 1,700 = 8,500 kg/m²
• Factor de seguridad:
FS = 3.0
Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 1, tenemos:
Qp =0.126 m² (19,000 kg/m² (25.80) + 8,500 kg/m² (14.72))
=0.126 m² (490,200 kg/m² + 125,120 kg/m²)
=0.126 m² (615,320 kg/m²)
Qp =77,530.32 kg
118
• Teniendo la capacidad de carga del pilote establecida, procedemos al cálculo de su
capacidad admisible de carga:
Qadm = Qp/ FS
Qadm = 77,530.32 kg / 3 = 25,846.44 kg
Qadm =26.0 Ton ó 26,000 kg.
CALCULO DE EFICIENCIA PARA LA ZONA 2:
La carga que se considerará para el caso de este ejemplo es de 95.0 ton con una zapata de
2.0m x 2.50m:
η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%
Para 4 pilotes:
η = 100% - Σ (26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16)
= 100% - 19.50%
η = 80.50% (eficiencia del grupo de pilotes)
Carga total del grupo de pilotes:
Qg = Qadm . η . Npilotes
Qg = 26 ton (80.50%) (4)
Qg = 83.72 ton.
Teniendo una capacidad de carga en grupo menor que la establecida por la estructura que es
de 95 ton, se establece lo siguiente: con 4 pilotes obtenemos una carga de 83.72 ton, menor
de la requerida, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su
diámetro (según criterio del diseñador):
119
Aumentando 1 pilote a la zapata:
Eficiencia para 5 pilotes:
η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%
= 100% - Σ (26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 4/16)
= 100% - 26.0%
η = 74% (eficiencia del grupo de pilotes)
Carga del grupo de 5 pilotes:
Qg = Qadm . η . Npilotes
= 26 ton (74%) (5)
Qg = 96.2 ton
Con este resultado, se satisface la carga establecida de 95.0 ton de la estructura propuesta.
Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 40 cms.
2.50 mts
2.0 mts
Pilote 40 cms
Zapata aislada
120
CÁLCULO DEL ACERO DE REFUERZO, PILOTE EN LA ZONA 2:
Los pilotes serán colados in situ y de 40 cms, con una longitud Df=5.0 mts. Como
consideraciones de diseño especificada (ACI 318R-2002, Capitulo 2, sección 2.1), para el
concreto y el acero tenemos:
f´c = 210 kg/cm², Resistencia a la compresión especificada del concreto.
f´y = 2,800 kg/cm², Resistencia mínima a la fluencia del acero.
El cálculo del acero de refuerzo mínimo de cada pilote, será determinado por los siguientes
métodos:
c) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos
diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ:
As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y
Donde:
As: acero mínimo de refuerzo
Qadm: capacidad admisible de carga del pilote
Ap: área de la sección del pilote
f´c: esfuerzo a la compresión del concreto
f´y: esfuezo de fluencia del acero
φ: factor de reducción
Datos:
• Capacidad admisible de carga del pilote (Qadm): 26 ton ó 26,000 kg, según el
cálculo de resistencia del pilote, pág. 118
• Área del pilote (Ap): para un pilote de 40 cms de diámetro, el área es igual a
1,256.64 cm², pág. 116
• Resistencia a la compresión (f´c): 210 kg/cm²
121
• Resistencia a la fluencia del acero (f´y): 2,800 kg/cm²
• Factor de reducción (φ): según ACI 318R-2002, sección 9.3 “Resistencia de
Diseño”, subsección 9.3.2, es igual a 0.75 (adimensional).
Sustituyendo en ecuación tenemos:
As = (26,000 kg – 0.60(1,256.64 cm²)(210 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²)
= (26,000 – 158,336.64) / 2,100
= -132,336.64 / 2,100
As = -63.0 cm²
Como el valor de As es negativo, se tomará como porcentaje mínimo de acero: 0.01 (ACI
318R-2002: sección 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no
compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el
área total de la sección”), entonces tenemos:
As = 0.01 (1,256.64 cm²)
As = 12.57 cm²
d) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo
las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente
ecuación:
As = 0.01 Ag
Donde:
As: acero mínimo de refuerzo
Ag: área gruesa de la sección del pilote
0.01: porcentaje mínimo de reducción.
122
Se ha establecido la ecuación anterior, de acuerdo a la siguiente sección del ACI:
- 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos
sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área
total de la sección”.
Datos:
• Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección
del pilote Ap, entonces tenemos: 1,256.64 cm².
Sustituyendo datos en ecuación tenemos:
As = 0.01 (1,256.64 cm²)
As = 12.57 cm², área de refuerzo mínima requerida.
Luego se procede al cálculo de varillas del pilote de acuerdo al ACI:
- Sección 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a
compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3
varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”.
Para esta sección tomaremos como mínimo 7 varillas longitudinales, así:
Área No.5 = 2.0 cm² x 7 varillas
Área No.5 = 14.0 cm², >As = 12.57 cm², entonces ok.
Luego se realiza el cálculo de la longitud de desarrollo que se anclará entre la zapata y el
pilote de la siguiente manera:
ACI Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La
longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. Además no deber ser menor de
20 cms, sección 12.3.1.
123
Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c
= (0.075 (1.59)(2,800))/ √210
= 23.0 cm > 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 23 cms.
Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2
“Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de
1.0cm”.
Estribo de espiral = Ø3/8” ó No.3
El traslape del estribo de espiral según el ACI sección 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en
espiral, estos serán una longitud de 48 db (diámetro varilla), pero no menor de 30 cm, o se
soldarán”. Por lo tanto tenemos:
Traslape = 48 (0.952) = 45.70 cms > 30 cms, no requiere soldadura
La separación del espiral según ACI sección 7.10.4.3: “El espaciamiento libre entre
espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. Por lo que queda a criterio del
diseñador, y con lo cual sugerimos:
Separación normal del espiral = 7.0 cms
Separación en área de confinamiento = 5.0 cms
124
DETALLE SIN ESCALA DE ARMADO DEL ACERO DE REFUERZO
Ldb = 23 cms, según cálculo mediante ACI sección 12.3. Doblado a 90°
Separación normal de espiral 7.0 cm
Df = 5.0 mts
Zona confinamiento 50 cms, sepación espiral 5.0 cms
40 cm
7 No.5, según ACI sección 10.9.2 y espaciamiento distribuido uniforme en diámetro interno de 32,5 cm.
Estribo de Espiral No.3, según ACI sección 7.10.4.2
Zapata aislada
Recubrimiento de 7.5 cm, según ACI sección 7.7
Empotramiento entre pilote y zapata no menor de 5cm
Concreto vibrado f´c = 210 kg/cm2
Terreno Natural
40 cms.
125
EJEMPLO PARA LA ZONA 4
Se ha determinado el sondeo número 16 de la tabla estratigráfica del promedio de esta zona,
la presencia de materiales arcillosos con contenido orgánico (MH-OH) a una profundidad
de 6.5mts y N=47, por lo que para poder cimentar una edificación propuesta de 110 ton, se
requiere del uso de cimentaciones profundas (pilotes), para llegar al estrato resistente.
A continuación se procede al cálculo de la capacidad de carga del pilote, haciendo uso
nuevamente de la ecuación de Meyerhof:
Qp = Ap (cNc* + q´Nq*)
Donde:
Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote
c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote
Nc*, Nq*: factores de capacidad de carga
Datos:
• Se asume para diferenciar los ejemplos anteriores y por su carga, un diámetro del
pilote de 0.50 mts.
D = 0.50 m
• Cálculo del área del pilote:
Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.50m)² / 4 = 0.196 m²
• Para calcular la capacidad de carga del suelo, hacemos uso de la tabla 1.6, la cual
correlaciona el “N” número de golpes. En esta zona tenemos un promedio de N=47,
entonces:
Qu = 4.8 kg/cm²
• Cohesión empírica:
c = Qu / 2
126
Sustituyendo en ecuación:
c = 4.8 kg/cm² / 2 = 24,000 kg/m²
• Angulo de fricción interna, de la tabla 1.3, encontramos para este tipo de material
(arcilla orgánica) valores de 20 a 30, por lo cual consideramos:
Ø = 22°
• Factores de seguridad de Meyerhof para un ángulo de 22°, tabla 1.10:
Nc* = 16.88
Nq* = 7.82
• Profundidad de desplante o longitud del pilote, representa la profundidad de 6.50
mts menos 2.0 mts teóricos del desplante de la cimentación superficial:
Df = 4.50 m
• Peso volumétrico del material:
γ = 800 kg/m³
• Esfuerzo vertical del pilote:
q´ = Df . γ
q´ = 4.50 x 800 = 3,600 kg/m²
• Factor de seguridad:
FS = 3.0
Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 1, tenemos:
Qp =0.196 m² (24,000 kg/m² (16.88) + 3,600 kg/m² (7.82))
=0.196 m² (405,120 kg/m² + 28,152 kg/m²)
=0.196 m² (433,272 kg/m²)
Qp =84,921.30 kg
127
• Teniendo la capacidad de carga del pilote establecida, procedemos al cálculo de su
capacidad admisible de carga:
Qadm = Qp/ FS
Qadm = 84,921.30 kg / 3 = 28,307.10 kg
Qadm = 28.0 Ton ó 28,000 kg.
CALCULO DE EFICIENCIA PARA LA ZONA 4:
La carga que se considerará para el caso de este ejemplo es de 110.0 ton con una zapata de
2.50m x 2.50m:
η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%
Para 4 pilotes:
η = 100% - Σ (28x 3/16 + 28x 3/16 + 28x 3/16 + 28x 3/16)
= 100% - 21.0%
η = 79.0% (eficiencia del grupo de pilotes)
Carga total del grupo de pilotes:
Qg = Qadm . η . Npilotes
Qg = 28 ton (79.0%) (4)
Qg = 88.48 ton.
Teniendo una capacidad de carga en grupo menor que la establecida por la estructura
propuesta de 110 ton, se establece lo siguiente: con 4 pilotes obtenemos una carga de 88.48,
menor de la requerida, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar
su diámetro:
Aumentando el diámetro de los pilotes a 60 cms:
D = 0.60 m
128
• Cálculo del área del pilote:
Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.60m)² / 4 = 0.28 m²
• Se hace necesario calcular nuevamente la capacidad de carga del pilote, por lo tanto,
sustituyendo nueva área en la ecuación:
Qp = Ap (cNc* + q´Nq*)
Qp =0.28 m² (24,000 kg/m² (16.88) + 3,600 kg/m² (7.82))
=0.28 m² (405,120 kg/m² + 28,152 kg/m²)
=0.28 m² (433,272 kg/m²)
Qp =121,316.16 kg
• Calculando la nueva carga admisible del pilote:
Qadm = Qp/ FS
Qadm = 121,316.16 kg / 3 = 40,438.72 kg
Qadm = 40.0 Ton ó 40,000 kg.
Calculo de la eficiencia para 4 pilotes de 0.60m:
η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%
= 100% - Σ (40x 3/16 + 40x 3/16 + 40x 3/16 + 40x 3/16)
= 100% - 30%
η = 70.0% (eficiencia del grupo de pilotes)
Carga del grupo de 4 pilotes:
Qg = Qadm . η . Npilotes
= 40 ton (70%) (4)
Qg = 112.0 ton
129
Con este resultado, se satisface la carga establecida de 110.0 ton de la estructura propuesta.
CÁLCULO DEL ACERO DE REFUERZO, PILOTE EN LA ZONA 4:
Los pilotes serán colados in situ y de 60 cms, con una longitud Df=4.5 mts. Como
consideraciones de diseño especificada en el Manual de Cimentaciones Profundas,
Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, se recomienda para pilotes mayores de 60 cms
utilizar:
f´c = 280 kg/cm², Resistencia a la compresión especificada del concreto.
f´y = 2,800 kg/cm², Resistencia mínima a la fluencia del acero.
Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 60 cms.
Pilote 60 cms 3D
2.50 mts
2.50 mts
Zapata aislada
1.5D
130
El cálculo del acero de refuerzo mínimo de cada pilote, será determinado por los siguientes
métodos:
e) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos
diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ:
As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y
Donde:
As: acero mínimo de refuerzo
Qadm: capacidad admisible de carga del pilote
Ap: área de la sección del pilote
f´c: esfuerzo a la compresión del concreto
f´y: esfuezo de fluencia del acero
φ: factor de reducción
Datos:
• Capacidad admisible de carga del pilote (Qadm): 40 ton ó 40,000 kg, según el
cálculo de resistencia del pilote, pág. 128
• Área del pilote (Ap): para un pilote de 60 cms de diámetro, el área es igual a
2,827.44 cm², pág. 128
• Resistencia a la compresión (f´c): 280 kg/cm²
• Resistencia a la fluencia del acero (f´y): 2,800 kg/cm²
• Factor de reducción (φ): según ACI 318R-2002, sección 9.3 “Resistencia de
Diseño”, subsección 9.3.2, es igual a 0.75 (adimensional).
Sustituyendo en ecuación tenemos:
131
As = (40,000 kg – 0.60(2,827.44 cm²)(280 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²)
= (40,000 – 475,009.92) / 2,100
= -435,009.92 / 2,100
As = -207.15 cm²
Como el valor de As es negativo, se tomará como porcentaje mínimo de acero: 0.01 (ACI
318R-2002: sección 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no
compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el
área total de la sección”), entonces tenemos:
As = 0.01 (2,827.44cm²)
As = 28.27 cm²
f) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo
las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente
ecuación:
As = 0.01 Ag
Donde:
As: acero mínimo de refuerzo
Ag: área gruesa de la sección del pilote
0.01: porcentaje mínimo de reducción.
Se ha establecido la ecuación anterior, de acuerdo a la siguiente sección del ACI:
- 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos
sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área
total de la sección”.
Datos:
132
• Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección
del pilote Ap, entonces tenemos: 2,827.44 cm².
Sustituyendo datos en ecuación tenemos:
As = 0.01 (2,827.44 cm²)
As = 28.27 cm², área de refuerzo mínima requerida.
Luego se procede al cálculo de varillas del pilote de acuerdo al ACI:
- Sección 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a
compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3
varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”.
Para esta sección tomaremos como mínimo 8 varillas longitudinales, así:
Área No.7 = 3.87 cm² x 8 varillas
Área No.7 = 30.96 cm², >As = 28.27 cm², entonces ok.
Luego se realiza el cálculo de la longitud de desarrollo que se anclará entre la zapata y el
pilote de la siguiente manera:
ACI Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La
longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. Además no deber ser menor de
20 cms, sección 12.3.1.
Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c
= (0.075 (2.22)(2,800))/ √280
= 27.90 cm > 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 28.0 cms.
Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2
“Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de
133
1.0cm”. Y como el pilote no trabaja por cortante queda a criterio del diseñador aumentar el
diámetro del espiral.
Estribo de espiral = Ø3/8” ó No.3
El traslape del estribo de espiral según el ACI sección 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en
espiral, estos serán una longitud de 48 db (diámetro varilla), pero no menor de 30 cm, o se
soldarán”. Por lo tanto tenemos:
Traslape = 48 (0.952) = 45.70 cms > 30 cms, no requiere soldadura
La separación del espiral según ACI sección 7.10.4.3: “El espaciamiento libre entre
espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. Por lo que queda a criterio del
diseñador, y con lo cual sugerimos:
Separación normal del espiral = 6.5 cms
Separación en área de confinamiento = 4.0 cms
134
DETALLE SIN ESCALA DE ARMADO DEL ACERO DE REFUERZO
Ldb = 28 cms, según cálculo mediante ACI sección 12.3. Doblado a 90°
Separación normal de espiral 6.5 cm
Df = 4.5 mts
Zona confinamiento 50 cms, sepación espiral 4.0 cms
60 cm
8 No.7, según ACI sección 10.9.2 y espaciamiento distribuido uniforme en diámetro interno de 52,5 cm.
Estribo de Espiral No.3, según ACI sección 7.10.4.2
Zapata aislada
Recubrimiento de 7.5 cm, según ACI sección 7.7
Empotramiento entre pilote y zapata no menor de 5cm
Concreto vibrado f´c = 280 kg/cm2
Terreno Natural
60 cms.
135
3.2 PROCESOS CONSTRUCTIVOS
3.2.1 GENERALIDADES
Estos procedimientos dependen de las condiciones del terreno, capacidades de carga del
suelo, la magnitud de las estructuras, disponibilidad de equipo y otros. Eligiendo por medio
del diseño, el tipo de cimentaciones profundas a emplearse, ya sean pilotes hincados o
colados in situ.
Para estos pilotes se excava el terreno mediante el equipo de perforación en varios
diámetros. Estas excavaciones pueden hacerse en seco o con alguna protección temporal de
la perforación; para tener mayores rendimientos y seguridad en las obras, es recomendable
realizarlas utilizando equipos de perforación hidráulicos.
En nuestro país, se cuenta con equipos de perforación de varios diámetros, con capacidades
de rotación desde 10 ton-mt hasta 18 ton-mt. Estos equipos permiten la ejecución de pilotes
en diámetros desde 0.30 mt hasta 2.50 mts y con profundidades hasta alcanzar los 45.0 mts.
Dependiendo del tipo del terreno y dimensiones de los pilotes, estos pueden tener una
capacidad de carga entre 10 Kg/cm² hasta 40 Kg/cm².*
Para realizar construcciones de pilotes con diámetros y profundidades mayores que los
mencionados anteriormente, se tendrá que gestionar con empresas extranjeras para el
alquiler de equipos ó subcontratos para su ejecución.
* Información proporcionada por Rodio-Swissboring de El Salvador.
136
3.2.2 MÉTODOS CONSTRUCTIVOS DE PILOTES COLADOS IN SITU
3.2.2.1 MÉTODO SECO
Método que se aplica sobre el nivel freático donde no existe el peligro de derrumbe o
socavación al perforar el pozo hasta el fondo. Un suelo que cumple con estas características
sería una arcilla homogénea y firme. También puede aplicarse este método en el caso de
suelos de bajo nivel freático, si la permeabilidad es tal que la filtración en el pozo es
mínima, mientras permanece abierto.
Para construir estos pilotes es necesario hacer un replanteo de la zona y ubicar con
topografía el centro de cada pilote. Se procede después a colocar el equipo de perforación
en el sitio adecuado y la correcta selección de la broca helicoidal (Fig. 3.0) y barrena para
iniciar la excavación.
FIG. 3.0
BROCA HELICOIDAL TIPO
Luego se efectúa la perforación hasta la profundidad requerida (Ftg. 3.1), depositando el
material excavado en un lugar conveniente para su desalojo posterior. Una vez alcanzada la
profundidad total de la excavación puede usarse un ampliador o ensanchador para ampliar
el fondo del pozo.
137
FOTOGRAFÍA. 3.0
PERFORACIÓN DE PILOTES
Trabajos de perforación realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar Constitución y
Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador. Se observa la excavación del terreno mediante equipo de perforación, utilizando una broca helicoidal.
El porcentaje de acero de refuerzo que debe colocarse en los pilotes, así como la longitud
de refuerzo vertical, se determina en base a las condiciones de carga. Algunas veces se
omite el acero de refuerzo, por considerarse que el pilote no soportará esfuerzos laterales,
en cambio otras veces es necesario colocarlo a lo largo de toda la longitud del pilote cuando
está expuesto a condiciones de cargas laterales ó se coloca el acero de refuerzo en la punta
del pilote (cabeza).
La correspondiente armadura con todos sus separadores colocados, se baja lo más centrado
posible (Ftg. 3.1) evitando tocar las paredes laterales de la perforación para no producir
arrastre de material (Ftg. 3.2).
138
FOTOGRAFÍA. 3.1 COLOCACIÓN DE ARMADURA
Trabajos de colocación de armadura de Pilotes realizados en la construcción de paso a desnivel entre el
Boulevar Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador.
FOTOGRAFÍA. 3.2 COLOCACIÓN DE ARMADURA
Armadura de acero colocada y en posición para el colado de concreto hidráulico.
139
Una vez posicionada la armadura en el lugar correcto, se inician los trabajos del concreto,
utilizando el método TREMIE de llenado por flujo inverso. Por el interior de la armadura se
bajan en tramos de tubos acoplables, roscados y sellados mediante el equipo o maquinaria
hasta el fondo de la perforación, se coloca la tolva en su parte superior, se obtura unión
tolva con cañería mediante tapete (embudo). Luego se vuelca el concreto en la capacidad de
la tolva, se retira el tapete y en forma continua se inicia el llenado del pilote. El volumen de
concreto que se carga por tolva se desliza hacia el fondo desplazando el agua y posibles
impurezas hacia el exterior (superficie). A medida que avanza el llenado (Ftg. 3.3) se van
retirando los tubos, estando siempre el tubo puntera sumergido evitando de esta forma el
contacto con el agua. Cabe acotar la importancia del concreto el cual debe tener de
preferencia un revenimiento de 6 a 7 pulg., con agregado mediano, logrando con esto un
libre deslizamiento en el interior de la tubería y un perfecto acomodamiento contra las
paredes laterales y los estribos de la armadura.
FOTOGRAFÍA. 3.3
COLADO DE PILOTES IN SITU
Trabajos de Colado de Pilotes in situ, realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar
Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador.
140
3.2.2.2 MÉTODO ENTUBADOS O ADEME
Este sistema se adopta donde la naturaleza del terreno a trabajar es tan crítica que las
paredes de las perforaciones no logran sostenerse aplicando fangos estáticos (bentonita o
gel). El equipo montado sobre oruga tiene la suficiente potencia y adaptaciones necesarias
para introducir, girando camisas acoplables entre sí hasta llegar donde las condiciones del
suelo lo requieran. Una vez colocada la camisa, se excava su núcleo interior con el sistema
más adecuado a las características del suelo, hélice o balde bucket (3.1).
FIG. 3.1 BALDE O BUCKET TIPICO
En el caso de no haber alcanzado la cota de profundidad requerida, luego de haber vaciado
el interior se acopla un nuevo tramo y se continúa en tareas sucesivas hasta alcanzar el nivel
de apoyo del pilote. Cabe destacar que se puede dar una conjunción de sistemas; encamisar
solamente una parte de la perforación donde la naturaleza del terreno lo requiera y luego
continuar perforando, ya sea con presencias de aguas o aplicando lodos estabilizantes. Es
de suma importancia destacar que este método, calificado como de última generación (Ftg.
3.4), no transmite ningún tipo de vibraciones a posibles edificios linderos, ya que el
encamisado se produce por giro y no por hincado o vibrohincado.
141
FOTOGRAFÍA. 3.4 MÉTODO ENTUBADOS O ADEME
Equipo sobre orugas, introduciendo camisas acoplables antes de la perforación. Trabajos realizados en Guatemala por Rodio-Swissboring
Una vez que se ha logrado la limpieza del interior de la camisa se baja la armadura metálica
con sus correspondientes separadores y se la posiciona en su lugar.
Para el colado, el sistema a adoptar depende totalmente de las características del suelo de
trabajo. En muchas ocasiones se produce un llenado en seco utilizando tubos para evitar
disgregamiento del concreto. En caso de presencia de aguas o lodos bentoníticos, se aplica
el sistema Tremie o Contractor de llenado por flujo inverso. Por el interior de la armadura
se bajan tuberías en tramos aclopables, roscados y sellados mediante O'ring (empaque para
evitar pérdida de lechada) hasta el fondo de la perforación. Se procede al vaciado del
concreto de igual forma que el método seco. Una vez lleno el pilote, se procede al retiro de
la camisa (Ftg. 3.5), ya sea produciendo el giro de la misma o con pequeños golpes de
extracción, luego se van desacoplando los tramos de ésta sucesivamente hasta sacarla
totalmente. Una vez concluida esta operación nos queda el pilote terminado.
142
FOTOGRAFÍA. 3.5
ADEME RECUPERABLE
Retiros de camisa utilizando pluma sobre oruga en la construcción de un puente. Trabajos realizados en
Guatemala por Rodio-Swissboring
3.2.2.3 METODO CON LODOS ESTABILIZANTES
Se realiza con un equipo de accionamiento hidráulico y consiste en perforar hasta la cota de
fundación requerida, en dicha excavación se utiliza mecha helicoidal para inicio y luego
balde “bucket”, esta herramienta posee la particularidad de almacenar todo el material
cortado en su interior evitando que éste quede disgregado en la perforación. Estas
operaciones se realizan con el aporte constante de fangos estabilizantes (Ftg. 3.6) para
garantizar la estabilidad de las paredes laterales de la excavación y sostenerlas evitando
posibles desmoronamientos de terreno.
143
FOTOGRAFÍA. 3.6 ESTABILIZACIÓN BENTONÍTICA
Utilización de bentonita en la perforación, estabilizando las paredes.
Trabajos realizados en pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador.
El lodo estabilizante es conocido comúnmente como bentonita, que es una arcilla la cual
contiene una gran cantidad de monmorilonita. Al ser mezclada con agua, forma un coloide
con moléculas de bentonita intercaladas con moléculas de agua.
Al someter la bentonita a presión, las placas hidratadas se adhieren al terreno, mientras que
las moléculas de agua se introducen en el terreno y por último, al prolongar este contacto se
forma una película de bentonita comúnmente denominada cake, comportándose esta capa
como una película de protección y permite que la mayor presión hidrostática dentro de la
perforación, mantenga estable las paredes y evite cualquier desprendimiento de la misma.
144
Una vez alcanzada la profundidad solicitada se procede al bajado de armadura (Ftg. 3.6)
con sus correspondientes separadores. Esta operación se realiza normalmente con el tiro
libre de la perforadora usándola como grúa. Se introduce la armadura del pilote hasta que el
fondo de éste queda de 20 a 30 cms., sobre el fondo de la excavación; esto será posible
porque la armadura se sostendrá de la parte superior con vigas de acero o algún elemento
especial diseñado para dicha función.
Para cargas axiales, los pilotes generalmente llevan una cuantía de acero entre el 0.5 a
0.10% del área nominal del pilote. Para dar una mayor rigidez a la armadura, cada tramo
deberá quedar soldado en varias de las barras del esfuerzo vertical.
Posicionada la armadura en el lugar correcto, se deben de tomar debidas precauciones para
asegurar la mejor calidad. En el caso de la tubería, esta deberá retirarse mientras se está
haciendo el colado, ya sea por tensión vertical o movimientos oscilatorios. En el caso de
utilizar la bentonita, durante el proceso de excavación, el lodo se carga con arena y
descansa al fondo; como primer paso, es necesario utilizar e bucket para retirar el exceso de
arena. Luego, se procede a retirar hasta cierta tolerancia del 5.0% en peso, toda la arena que
está en suspensión; para hacer esto, se debe de bombear lodo mezclado con material de
excavación del fondo hacia fuera y sustituirse por lodo nuevo, es decir, desarenado.
145
FOTOGRAFÍA. 3.6 BAJADO DE ACERO DE REFUERZO
Bajado del acero de refuerzo o armadura mediante grúa, luego de la perforación del terreno.
Trabajos realizados en pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador.
Cuando el lodo retirado del fondo de excavación cumple con las normas establecidas
(Tabla 3.0), se considera que el panel está listo para ser colado (Fig. 3.7).
TABLA 3.0
CARACTERISTICAS MINIMO ACEPTABLE MÁXIMO ACEPTABLE
Densidad 1.10 ton/m³ 1.25 ton/m³
Viscosidad 30 45
Contenido de agua - 5%
Para evitar que se segregue el concreto es necesario utilizar una tubería tipo TREMIE, esta
tubería permite que el concreto fluya desde el fondo de la excavación y que por su mayor
peso específico pueda desplazar la bentonita y cualquier impureza. Esta tubería quedará al
146
inicio del colado a 20 cms del fondo de la excavación y luego deberá mantenerse embebida
en el concreto entre 2.0 y 4.0 mts; el colado con este tipo de tubería debe hacerse en forma
constante y sin interrupciones.
FIG. 3.7
FIJACIÓN DEL ACERO DE REFUERZO
Bajado, fijación y colocación del acero de refuerzo del pilote, previo al colado.Trabajos realizados en construcción de pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador.
3.2.2.4 METODO NIVEL FREÁTICO
Este tipo de tareas se efectúan con un equipo perforador rotativo de accionamiento
hidráulico. Se perfora hasta la cota de fundación requerida, utilizando mecha helicoidal
para poder iniciar marcando la perforación (Ftg. 3.8). Esta mecha se utiliza hasta
encontrarse con el nivel freático, cuando la presión de ésta comienza a inundar la
perforación se cambia de herramienta colocando balde “bucket”. Este elemento,
especialmente diseñado para ser utilizado en trabajos por debajo de niveles acuíferos, corta
por su fondo y almacena todo el material en su interior evitando que éste quede disgregado
en la perforación. Esta característica es de suma importancia ya que cuando se alcanza la
147
cota requerida la perforación se encuentra totalmente limpia, sin ningún material grueso
suelto que pueda impedir u ocasionar un mal llenado del pilote.
FOTOGRAFÍA. 3.8 MAQUINARIA PARA PERFORACIÓN CON BUCKET
Maquinaria sobre oruga utilizando bucket durante la perforación previo al colado del pilote. Trabajos con método nivel freático, Guatemala.
Luego se procede al bajado de la armadura, que se realiza normalmente con el tiro libre del
equipo perforador. La correspondiente armadura con todos sus separadores colocados, se
baja lo más centrado posible evitando tocar las paredes laterales de la perforación para no
producir arrastre de material.
Una vez posicionada la armadura en el lugar correcto, se inician los trabajos de vaciado del
concreto del pilote, se utiliza el método TREMIE de llenado por flujo inverso. El proceso a
seguir es igual al método seco. A medida que avanza el llenado se van retirando los tubos,
estando siempre el tubo puntera sumergido en el concreto evitando de esta forma el
contacto con el agua. Se recomienda tener un revenimiento entre 7 y 8 pulg., con agregado
mediano, logrando con esto un libre deslizamiento en el interior de la tubería y un perfecto
acomodamiento contra las paredes laterales y los estribos de la armadura.
148
3.2.2.5 SISTEMA HÉLICE CONTÍNUA
Este sistema de última generación se ejecuta con equipos de alta potencia-torque y que
poseen la más avanzada tecnología aplicada a la construcción y controles de calidad de los
pilotes.
Normalmente se aplica este método donde los suelos a perforar son inestables, con
presencia de nivel freático, desmoronables y que ante los trabajos de perforación con los
métodos tradicionales pueden llegar a colapsar, a diferencia de otros como los lodos
bentoníticos, se obtienen altas producciones (dependiendo del tipo y espacio de obra) y una
mayor limpieza de la misma. Se trata de hacer la Ingeniería de fundación sobre la base del
sistema constructivo adoptado tratando de unificar el diámetro a utilizar.
La forma de ejecutar el pilote es la siguiente: el equipo trabaja con una hélice continua de
12.0 mts. de longitud y posee un prolongador para alcanzar los 18.0 mts. de profundidad.
Mediante giro y empuje introduce la mecha en el suelo hasta la cota de fundación, luego se
acopla el equipo con la bomba de concreto. A medida que se va extrayendo la mecha del
terreno por el interior del eje de la misma se bombea el concreto, comparandola contra la
velocidad de ascenso de la mecha por medio de un equipo computarizado, evitando no
levantar de más si no está la mezcla ocupando el lugar.
Se trabaja de esta forma hasta extraer la total longitud de la mecha, inmediatamente se toma
la armadura con el tiro libre de la máquina y se la coloca, ayudándola a entrar mediante
peso o por vibración de la misma, quedando de esta forma el pilote terminado.
149
FOTOGRAFÍA. 3.9 MAQUINARIA PARA PERFORACIÓN HÉLICE CONTINUA
Maquinaria trabajando con el sistema de hélice continua en perforación del suelo, previo a la colocación del acero de refuerzo. Italia, 2003.
3.2.2.6 MÉTODO CONSTRUCTIVO DE PILOTES ARTESANALES
En nuestro país, durante los últimos años, se ha incrementado el uso de pilotes de concreto
colados en el sitio. Generalmente en la construcción de obras de menor magnitud que no
requieren el uso de perforadoras mecánicas, plumas, etc., el constructor realiza este tipo de
obras mediante cimentaciones artesanales.
La utilización de este método se caracteriza por el tipo de equipo y métodos utilizado por
una excavación con barrenos de uso manual, fabricados de acero en un taller de mecánica,
generalmente con poco control de calidad. El método se utiliza en aquellas construcciones
150
técnicas de las obras como la industria viviendista y pequeños edificios y donde es
necesario colar, muchos pilotes de diámetros reducidos.
Se procede de la siguiente manera:
Impulsado con fuerza un barreno de fabricación artesanal de forma helicoidal hacia dentro
del terreno por una o más personas, se perfora hasta la profundidad determinada por un
estudio geotécnico. Generalmente cuando se utiliza este método las profundidades no son
muy grandes, llegando a alcanzar 10 mts las máximas perforaciones.
Este proceso de excavación tiene muchos inconvenientes:
• Si se encuentra un estrato de suelo de gran resistencia por donde debe pasar el
barreno, éste necesita más fuerza para poder perforarlo, por lo que esta fuerza extra
hace que el barreno se desvíe unos pocos centímetros, perdiendo la perforación su
verticalidad original. Esto puede ser perjudicial, pues estas discontinuidades podrían
afectar la transmisión de carga en el pilote.
• Es bastante probable que a medida se excava no toda la tierra removida puede ser
sacada del pozo, por lo que existen azolves en el fondo. Lo que el constructor hace
en general es compactar este azolve con un pisón largo, pero esta práctica no es muy
recomendable, pues el compactado no puede hacerse correctamente y aunque se esté
en el estrato resistente, el pilote no se colocará originalmente sobre él, por lo que al
soportar el peso de la superestructura se asentará una distancia igual al espesor del
azolve compactado.
• Si se encuentra en el proceso de excavación un estrato rocoso, el barreno natural no
podrá pasar por él. Muchas veces se mal interpretan estos estratos creyéndose que
ya se ha llegado al estrato resistente, cuando probablemente sea una pequeña
formación rocosa que cederá cuando el pilote sea cargado.
Luego de haber realizado la excavación se procede a la colocación del acero de refuerzo
vertical, el cual consiste como mínimo de 4 a 6 varillas longitudinales de 3/8” o de 1/2” con
estribo de espiral de 1/4” o 3/8”, dependiendo del diseño estructural. El refuerzo se coloca
en el pozo sin la ayuda de ninguna grúa, sometiéndolos muchas veces a esfuerzos por
doblado en su introducción.
151
Cuando ya está colocado el acero, se procede al colado del concreto que generalmente es de
una resistencia a la compresión de 210 kg/cm² con un revenimiento de 6 a 7 pulgadas.
El colado puede realizarse de dos maneras diferentes:
• Con concreto premezclado en planta y transportado en camiones revolvedores o
mediante bombeo. Este concreto se baja del camión y se va colocando en bateas
especiales de gran tamaño; luego es transportado en carretillas de llantas con
neumáticos hasta el pozo a ser colado. Muchas veces el camión revolvedor puede
llegar cerca del pilote a colar, y ahorrarse los acarreos en carretillas.
• Fabricando el concreto con máquinas revolvedoras de 1/2 a 2 bolsas. Esto se hace
cuando la cantidad de concreto a colocar no alcanza con la cantidad que transporta
un camión. Este proceso debe tener una mayor supervisión y mayor control de las
mezclas realizadas, algunas veces se fabrica el concreto a mano, pero esto no es
recomendable y ningún tipo de supervisión debería permitir este método, por
mínima que sea la cantidad de concreto a colar.
Para verter el concreto en el pozo también se utilizan dos métodos:
• Se vierte el concreto directamente en caída libre en la oquedad. Este procedimiento
es totalmente incorrecto porque la caída libre produce segregación en el concreto
disminuyendo la resistencia de éste.
• Por medio de una tolva y trompa de elefante, primeramente se deja caer por la tolva
un poco de concreto más fluido de lo normal en caída libre; esto sirve para que
luego caiga el concreto normal ya bajo presión, al crearse un vacío dentro de la
tolva.
Cuando se vibra o compacta el concreto, se hace con un vibrador en sus regiones
superficiales.
152
CASO DE NIVEL FREÁTICO EN CONSTRUCCIÓN DE PILOTES
ARTESANALES.
En el caso de encontrarse nivel freático de manera superficial, y las paredes de la
perforación son estables y permiten trabajar en agua sin mayores dificultades, no hay
necesidad de encamisar las paredes. De lo contrario se procederá a encamisarlo,
generalmente con tubo PVC.
El día del colado se deberá hacer una limpieza en el fondo de la perforación.
Posteriormente se coloca la armaduría con sus separadores, para evitar arrastre de material.
Luego se procede al vaciado del concreto, haciéndolo por caída por medio de tubos o
preferiblemente bombeado, utilizando éste algún tipo de aditivo acelerante del fraguado,
esto provoca al mismo tiempo el ascenso del agua de la perforación, la cual es expulsada
del agujero.
Terminado el pilote se procederá a demoler la cabeza de éste por estar muy contaminada y
sustituirla por un nuevo concreto de calidad.
153
ACCESORIOS DE PERFORACIÓN
Barrena de Perforación Camisa de Perforación
Otros usados en perforaciones
Mecha Balde bucket
Carotieri (fresa para rocas) Bulbo ensanchador
154
3.2.3 EQUIPO UTILIZADO EN LA CONSTRUCCIÓN
3.2.3.1 GRÙAS
Son máquinas que sirven para el levantamiento y manejo de objetos pesados, contando para
ello con sistema de malacates que acciona a uno ò varios cables, montados sobre una pluma
y cuyos extremos terminan en gancho.
Para facilitar su función, la unidad motriz y los diferentes mecanismos de la máquina le
permiten girar alrededor de un eje vertical y a la pluma moverse en un plano horizontal.
Las plumas de la grúa pueden ser rígidas cuando están formadas por estructuras modulares
(de tubo o de ángulo estructural), o bien telescópicas cuando están formadas por elementos
prismáticos que deslizan unos dentro de otros.
Para la construcción de cimentaciones profundas se usan generalmente grúas móviles de
pluma rígida, bien sea para montar sobre ellas equipo especializado.
Para el montaje de equipo de perforación o hincado, usualmente se requieren grúas de 45 a
80 ton. de capacidad nominal, con plumas rígidas de 18.3 mts de largo. Para las maniobras
se emplean grúas de menor capacidad nominal, aunque superior a 15 ton., las condiciones
del terreno dictaminan la conveniencia de que estén montadas sobre neumático o sobre
orugas.
En la siguiente tabla se muestra una guía de grúas usuales para trabajos de construcción de
cimentaciones profundas.
155
TABLA 3.1 GRÚAS MOVILES
Marca Modelo Capacidad
ton
Peso
ton LS68 13.61 17.67
LS98 24.49 27.70
LS108-B 40.82 38.40
LS108-D 45.36 38.04
LS118 54.43 54.70
LS318 72.58 63.30
LS418A 99.77 92.02
LS138-H 68.04 55.92
LS208-H 68.04 58.97
Link-Belt
LS218-H 90.72 80.02
HS833HD 40.00 39.60
HS843HD 60.00 56.80
HS853HD 80.00 81.20
HS833HD 90.00 96.40
Liebherr
HS883HD 120.00 109.40
222 90.70 74.52
777S-1 153.50 113.40
777S-2 160.00 150.14
888S-1 196.80 154.08
888S-2 208.60 189.98
3900WS-2 127.00 118.94
3950W 136.00 136.84
3950D 136.00 143.40
4100WS-1 181.40 166.28
4100WS-2 208.60 204.38
Manitowoc
4100WS-3 217.70 218.64
670WCL 70.00 -
550 50.00 -
5060 60.00 50.52 P&H
5100 100.00 78.37
Marca Modelo Capacidad
ton
Peso
ton 599 C 36.29 -
5299 45.36 -
7220 45.36 -
5299 A 54.40 -
5300 63.50 -
7225 A 77.25 -
7260 90.70 -
9260 113.50 -
9270 136.08 -
A100HC 100.00 -
American
A1500HC 167.80 -
DS640 40.00 40.00
BS650 50.00 50.00
BS660 60.00 65.00
BS680 80.00 80.00
BS6100 110.00 90.00
BS6120 120.00 100.00
Bauer
BS6180 180.00 160.00
22B 12.00 19.30
38B - -
54B - - Bucyrus Erie
61B 66.50 67.30
C20 20.00 22.00
C40 40.00 35.60
C50 50.00 48.65
C60 60.00 63.70
Casagrande
C90 95.00 83.80
156
3.2.3.2 PERFORADORAS
Son máquinas para hacer barrenos en el suelo por rotación y percusión. En el caso de las
rotatorias, la torsión se transmite por medio de una barra en cuyo extremo inferior se coloca
una herramienta de avance tal como una broca, un bote cortador, una hélice. La barra se
hace girar con algún mecanismo o bien se levanta y se deja caer sobre el fondo de la
perforación, lo cual da lugar a que las perforadoras sean rotatorias o de percusión
respectivamente.
a) Perforadoras rotatorias.
Para la construcción de cimentaciones profundas, se emplean generalmente dos tipos de
perforaciones con sistema rotatorio:
• Con Barretón o Kelly de perforación; ya sea montada sobre orugas, sobre grúa o
sobre camión. En este caso, el Kelly puede ser de una sola pieza o bien telescópico
de varias secciones, con el cual se extrae de manera intermitente el suelo perforado.
• Con Hélice continua; montada sobre grúa o sobre oruga. El suelo se extrae de
manera continua, conforme se perfora el suelo.
• Con Bauer de circulación inversa, con estos equipos se opera con el principio de un
air-lift, para la construcción de pilotes estos equipos pueden perforar profundidades
mayores a 100 mts.
La selección de la perforadora mas adecuada para un proyecto dado, dependerá de las
características que presenten los materiales del lugar, así como del diámetro y profundidad
de las perforaciones por realizar.
A continuación se muestra una lista de perforadoras con Barretón o Kelly telescópico y de
Hélice continua, que son más utilizados en la construcción de cimentaciones profundas:
157
TABLA 3.2 PERFORADORAS MAS UTILIZADAS
PERFORADORAS DE BARRETÓN O KELLY TELESCÓPICO
Marca Modelo Tipo Par kg-m Diámetro máx.
(m)
Profundidad
máx. (m)
BG9 S/Oruga 9,486 1.20 40
BG22H S/Oruga 22,440 1.80 57
BG22S S/Oruga 22,440 3.00 57
BG30 S/Oruga 37,434 3.00 63
Bauer
(Alemania)
BG50 S/Oruga 37,434 3.00 83
125CH S/Grúa 17,300 - Opcional
400CH S/Grúa 55,300 - Opcional
200C S/Camión - 3.00 26
42LH S/Camión - 2.10 30
5200LH S/Camión - 3.50 52
Calwelld
(USA)
ADL S/Camión 9,000 1.50 18
Catdrill 18 S/Grúa 12,000 2.50 80
Catdrill 22 S/Grúa 22,000 2.50 54
B10HS S/Oruga-camión 10,000 1.50 35
B12HS S/Oruga-camión 12,200 1.80 45
Casagrande
(Italia)
B18HS S/Oruga 18,300 2.00 73
RT3-S S/Grúa 21,000 2.20 78
R-16 S/Oruga 16,000 2.00 60
R-15 S/Oruga 15,600 2.00 60
R-10 S/Oruga 10,000 1.50 46
Soilmec
(Italia)
CM-39 S/Oruga 9,700 1.50 34
PERFORADORAS DE HÉLICE CONTINUA
BG14 S/Oruga 14.28 0.90 14.9 Bauer
(Alemania) BG30 S/Oruga 37.43 1.20 21.6
LH-CFA17 S/Oruga 9.99 0.60 17
HD-CFA21 S/Oruga 9.99 0.80 21 Casagrande
(Italia) HD-CFA24 S/Oruga 9.99 1.00 24
R-16 S/Oruga 16.00 1.10 21.5
SM-49 S/Oruga 8.85 0.95 23.5 Soilmec
(Italia) HY-42 S/Grúa 6.10 0.80 32
158
b) Perforadoras por percusión.
Las perforadoras por percusión, a través de un sistema, que puede ser mecánico-neumático
o hidráulico, transmiten una serie rítmica de impacto al material por perforar, por medio de
un elemento de corte o ataque, llamado martillo de fondo. Su aplicación principal es en
rocas, ya que en suelos se reduce su eficiencia. Para cimentaciones profundas pueden
alcanzar hasta los 100 cm de diámetro, como se indica en la siguiente tabla:
TABLA 3.3
CARACTERÍSTICAS DE PERFORADORES DE FONDO
Modelo Diámetro de
perforación (cm)
Peso del
martillo (Kg)
Frecuencia de
operación
(golpes/minutos)
Consumo de aire*
(L/s)
Champion 180 45-61 1,492 950 944
Champion 240 61-86 2,488 925 1,322
Champion 330 83-109 5,707 925 2,454
* Operando con una presión de 10.2 x 10^5 Pa.
3.2.3.3 OSCILADORAS DE ADEMES
Equipo utilizados para el uso de ademes, con un movimiento rotacional alterno y una fuerza
vertical. Se utilizan combinados con perforación rotatoria o la extracción de material.
Usualmente están acoplados a una perforadora rotatoria sobre orugas, con la que se
comparte la central hidráulica, aunque también operan en forma independiente, con una
central propia.
En la siguiente tabla se presentan algunos modelos y capacidades de osciladoras:
159
TABLA 3.4 OSCILADORAS DE ADEMES
Marca Modelo Diámetro máx. (cms) Par de torsión (KN-m)
Bauer BV 880-04
BV 10-04
-
-
450
1,000
Casagrande
GSP-S-1000
GSP-S-1500
GSL-S-1000
220
270
205
1,280
1,830
1,200
Soilmec
MGT-700
MGT-1000
MGT-1500
180
200
250
550
1,200
2,200
3.2.3.4 MARTILLOS PARA HINCADO
Son equipos que generan impacto en serie para el hincado de pilotes. Los martillos
piloteadores originales, fueron masas de caída libre, que se colocaban en posición previa al
descenso mediante sistemas manuales o mecánicos. Con el desarrollo de la tecnología se
utilizó vapor de agua o aire comprimido para levantar la masa que cae; mejoras posteriores
dieron lugar al uso del vapor y aire comprimido para acelerar la caída de la masa durante su
descenso lográndose una mayor energía en el impacto.
Los más comunes, son martillos de combustión interna que emplean diesel como
combustible para levantar la masa golpeadora, al mismo tiempo que se aprovecha su
explosión para incrementar el impacto del hincado. Existen diversos tipos de martillos para
el hincado de pilotes:
160
TABLA 3.5 TIPOS DE MARTILLO PARA EL HINCADO
Los tipos de martillos más usados son los de doble acción y de tipo hidráulico, a manera de
ejemplo, a continuación se presentan los martillos IHC, de la serie S y SC:
Serie “S”.
El peso de la masa de golpe de la serie S, es relativamente ligero, la velocidad de impacto
hace que estos martillos sean ideales para hincar pilotes de acero (tubos), vigas H y pilotes
en la costa. TABLA 3.6
CARACTERÍSTICAS MARTILLO “S”
CARACTERISTICAS UNIDAD S-35 S-70 S-90 S-200
Datos de operación.
Energía del golpe máximo sobre el pilote. kNm 35 70 90 200
Energía del golpe mínima sobre el pilote. kNm 2 2 2 10
Número de golpes a energía máxima. bl/min 60 50 50 45
Pesos
Pistón/masa de golpe Ton 3 3.5 4.5 10
Martillo con pistón en el aire. Ton 7.3 8.3 9.2 24.5
Dimensiones
Diámetro exterior del martillo. cm 61 61 61 91.5
Longitud del martillo. cm 560 713 788 892
Elemental Caída libre
Acción simple Vapor
Neumáticos
Doble acción
Diferenciales
Vapor
Neumáticos
Hidráulicos
Diesel Abiertos
Cerrados
Vibratorios Baja frecuencia, mayor de 40 Hz
Alta frecuencia, mayor de 140 Hz
Vibratorios - Impacto -
161
Serie “SC”.
Este tipo de martillos tienen una velocidad de impacto más baja que el de la serie S, por ser
el pistón más pesado. Son la mejor elección para hincar pilotes de concreto ó para usarse en
diferentes obras. TABLA 3.7
CARACTERÍSTICAS MARTILLO “SC” CARACTERISTICAS UNIDAD SC-30 SC-50 SC-60 SC-110
Datos de operación.
Energía del golpe máximo sobre el pilote. kNm 30 50 60 110
Energía del golpe mínima sobre el pilote. kNm 1 1 3 6
Número de golpes a energía máxima. bl/min 50 50 50 40
Pesos
Pistón/masa de golpe Ton 1.7 3.3 6 7.9
Martillo con pistón en el aire. Ton 4.1 5.9 9.5 14.1
Dimensiones
Diámetro exterior del martillo. cm 60 66 76.2 102
Longitud del martillo. cm 506 528 604 560
3.3 CONTROL DE CALIDAD Y SEGURIDAD EN LA CONSTRUCCIÓN
3.3.1 CONTROL DE CALIDAD
A continuación se describen las características de los materiales comúnmente empleados en
la construcción de pilotes y pilas, así como también las exigencias para el control de calidad
del material y del producto terminado.
Como complemento del control de calidad, se hará referencia donde corresponda a las
normas aplicables en nuestro país, tales como: ASTM (American Society for Testing and
Materials), ACI (American Concrete Institute), AWS (American Welding Society), API
(American Petroleum Institute), NOM (Norma Oficial Mexicana) y otras.
162
3.3.1.1 ACERO DE REFUERZO
El acero de refuerzo debe satisfacer la norma ASTM A-615M-96, “Varillas corrugadas y
lisas de acero, procedentes de lingote o palanquilla, para acero de refuerzo”, y por
consiguiente cumplir con las características físicas y químicas establecidas.
a) Características Físicas: se refieren a la resistencia a la tensión, al diámetro, peso
unitario, dimensiones y espaciamiento de las corrugaciones, y el doblado.
Las varillas de esta norma se clasifican, conforme a su límite de fluencia mínimo, en dos
grados: 40 y 60.
- El diámetro nominal de una varilla corrugada es equivalente al de una varilla lisa
que tenga la misma masa nominal que la varilla corrugada.
- El número de designación de las varillas corrugadas corresponde al número de
octavos de pulgada de su diámetro nominal.
TABLA 3.8
NÚMERO DE DESIGNACIÓN, MASAS, DIMENSIONES NOMINALES Y REQUISITOS DE CORRUGACIÓN PARA REFUERZO DE CONCRETO
Dimensiones nominales Requisitos de corrugación
A B C D E F Numero de designación
Masa nominal
kg/m mm mm² mm mm mm mm 2 0.248 6.4 32 20 4.5 0.2 2.4 3 0.560 9.52 71 29.9 6.7 0.4 3.6 4 0.994 12.7 129 39.9 8.9 0.5 4.9 5 1.552 15.88 200 49.9 11.1 0.7 6.1 6 2.235 19.05 284 59.8 13.3 1.0 7.3 7 3.042 22.22 387 69.8 15.5 1.1 8.5 8 3.973 25.4 510 79.8 17.8 1.3 9.7 9 5.060 28.65 645 90.0 20 1.4 10.9
10 6.404 32.26 819 101.4 22.3 1.6 12.2
A: diámetro D: espaciamiento máximo promedioB: área de la sección transversal E: altura máxima promedioC: perímetro F: distancia máxima entre estremo de corrugaciones transversales
163
TABLA 3.9 REQUISITOS DE TENSIÓN
A B Alargamiento mínimo en 203 mm, por designación
Grado MPa
(Kg/cm²)
MPa
(Kg/cm²)%
3 4,5,6 7 8 9 10
40 500
(4,921)
300
(2,812) 11 12 11 10 9 8
60 620
(6,348)
420
(4,218) 9 9 8 8 7 7
A: resistencia minima a la tensión; B: límite de fluencia mínimo.
TABLA 3.10
REQUISITOS DE DOBLADO A 180º
Diámetro del vástago Número de asignación
Grado 40 Grado 60
3,4,5 3.5d 3.5d
6 5d 5d
7,8 - 5d
9,10 - 7d
d: diámetro nominal de la muestra.
Las muestras deben doblarse alrededor de un vástago, sin agrietarse en la parte exterior de
la zona doblada. La prueba debe realizarse a temperatura ambiente y en ningún caso a
menos de 16 grados centígrados.
b) Características Químicas: deberá verificarse que en análisis de la colada el contenido
de fósforo no exceda de 0.05% y que en el análisis del producto terminado no exceda de
0.0625%.
c) Muestreo: para los ensayos de tensión, doblado y determinación de las características
dimensiónales y de la corrugación, se debe tomar una muestra de cada diámetro por cada
10ton ó fracción, ó por cada embarque o entrega, lo que sea menor. Para el análisis químico
de la colada y del producto terminado se debe tomar una muestra de la colada durante el
vaciado y en varillas representativas de dicha colada, respectivamente.
164
3.3.1.2 SOLDADURA.
El acero de refuerzo de 1¨ y mayor no se debe traslapar sino que se debe soldarse a tope o
unirse mediante un dispositivo roscado (copplers), tipo Dividag o similar. Debe cumplir
con las normas siguientes: ACI 439.3R-91, ASTM E 1032-95/142-92/94-93, ANSI/AWS/D
1.4-98 y NOM-H-121-1988.
a. Calificación del soldador: Antes de iniciar cualquier trabajo de soldadura se debe
calificar al soldador en la posición y de tipo de soldadura que debe realizar. La calificación
debe realizarse por un inspector calificado, quien emitirá un reporte indicando la aceptación
o rechazo del soldador.
b. Radiografías: tomar radiografías de una unión soldada constituye una prueba no
destructiva. Las radiografías deben tomarse de conformidad con las normas antes
mencionadas cuando estas sean mayores a 1¨.
Con el producto terminado, se acostumbra acordar entre el contratista y el dueño o el
supervisor, cuantas uniones se van a examinar. De los resultados obtenidos se decide la
aceptación o rechazo del lote.
3.3.1.3 AGUA El agua para la fabricación de los lodos de perforación y del concreto deberá ser potable,
limpia, fresca y libre de materia orgánica e inorgánica, ácidos y álcalis, en suspensión o en
solución, y de cualquier sustancia que pueda causar efectos deletéreos en el concreto, en
cantidad tal que puedan afectar la calidad y durabilidad del lodo de perforación o del
concreto. Debe cumplir con las siguientes normas: ASTM C 685-98.a ó NOM-C-122-1982.
Podrá obtenerse de fuentes públicas o de pozos, pero no de las excavaciones. No deberá
utilizarse agua no potable en el concreto, a menos que se cumpla con las siguientes
condiciones:
165
1) La selección de las proporciones del concreto debe basarse en mezclas de concreto
utilizando de la misma fuente.
2) Los cubos de mortero para pruebas, hechos con agua no potable, deben tener
resistencias iguales a los 7 y 28 días, de por lo menos 10% de la resistencia de
muestras similares hechas con agua potable. La compasión de las prueba de
resistencia debe hacerse en muestras idénticas, excepto por el agua del mezclado,
elaborados y probados de acuerdo con las normas ASTM C-109 “Test Meted fot
Compresive Strength of Hidraulic Cement Mortars”.
TABLA 3.11 VALORES CARCTERÍSTICOS Y LÍMITES TOLERABLES
DE SALES E IMPUREZAS
Límites en ppm.
Impurezas Cemento rico en
calcio
Cemento sulfato
resistente
Sólidos en suspensión
En aguas naturales (limos y arcillas)
En aguas recicladas (finos de cemento y agregados)
2000
50000
2000
35000
Cloruros, como Cl*
Para concreto con acero de preesfuerzo y piezas de fuentes**
Para otros concretos reforzados en ambiente húmedo o en
contacto con metales, como aluminio, hierro galvanizado y otros
similares***
400
700
600
1000
Sulfatos, como SO4** 3000 3500
Magnesio, como Mg++* 100 150
Carbonatos, como CO2 600 600
Dióxido de carbono, disuelto como CO2 5 3
Álcalis totales, como Na+ 300 450
Total de impurezas en solución 3500 4000
Grasas y aceites 0 0
Materia orgánica (oxígeno consumido en medio ácido) 150 150
Valor del PH No menos de 6 No menor de 6.5
166
* Las aguas que excedan los limites enlistados para cloruros, sulfatos y magnesio, podrán
emplearse si se demuestra que la concentración calculada de estos compuestos en el agua
total de la mezcla, incluyendo el agua de absorción de loa agregados u otros orígenes, no
excede dichos limites.
** El agua se puede usar siempre y cuando las arenas que se empleen en el concreto
acusen un contenido de material orgánica cuya colaboración sea inferior a 2, de acuerdo
con el método de la norma NMX-C-088-1997-ONNCCE.
*** Cuando se use cloruro de calcio (CaCl 2) como aditivo acelerante, la cantidad de este
deberá tomarse en cuenta para no exceder el límite de cloruros de esta tabla.
3.3.1.4 AGREGADO FINO
Material conocido como arena, que pasa por la malla 4.75mm, 0.187in (No 4) y se retiene
en la malla 0.075mm (No 200). El agregado fino esta formado por material natural
procesado, una combinación de ambos o artificial.
a) Granulometría: deberá satisfacer la granulometría mostrada en la tabla 3.12, de
acuerdo a las normas ASTM C-33 ó NMX C-111-1992. TABLA 3.12
GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO FINO
Material retenido* Criba
%
9.5 mm (3/8”) 0
4.75 mm (No.4) 0 – 5
2.36 mm (No.8) 0 – 20
1.18 mm (No.16) 15 – 50
0.60 mm (No.30) 40 – 75
0.30 mm (No.50) 70 – 90
0.15 mm (No.100) 90 – 98
* acumulado en masa
167
1) Estar dentro de la zona que establece la tabla 3.12, excepto en los casos que se indican
en el párrafo 3 y 4.
2) El modulo de finura debe estar comprendido entre 2.30 y 3.10, con una tolerancia de +/-
0.20, con respecto al valor del modulo de finura empleado en el diseño del
proporcionamiento del concreto.
3) El retenido parcial de la masa total en cualquier malla no debe ser mayor de 45%.
Pueden aumentarse los porcentajes del retenido acumulado de la masa ensayada en la malla
MO.300 (No 50) y MO.150 (No 100) a 95 y 100%, respectivamente, siempre y cuando el
contenido de cemento sea mayor de 250kg/m³ (2452N/m³) para concreto con aire incluido,
o mayor de 300kg/m³ (2943N/m³) para concreto sin aire incluido, o bien, supliendo las
diferencias del material que pase por esta malla, mediante la adición de un material
finamente molido y aprobado.
NOTA: Se considera concreto con aire incluido, aquel que tiene un contenido de aire mayor
de 3% fabricado con un cemento o aditivo inclusor de aire.
4) En el caso de que los agregados que pretendan emplearse, no cumplan con las
tolerancias indicadas en los incisos 1), 2) y 3), pueden usarse siempre y cuando se tengan
antecedentes de comportamiento aceptables, en el concreto elaborado con ellos, o bien, que
los resultados de las pruebas realizadas a estos concretos sean satisfactorias, en este caso,
los agregados se pueden usar siempre que se haga el ajuste apropiado al proporcionamiento
del concreto, para compensar las diferencias en la granulometría.
168
b) Sustancias nocivas: TABLA 3.13
GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO FINO
Concepto Material retenido*
Grumos de arcillas y partículas deleznables 0.3
Carbón y lignito
En concreto aparente
En otros concretos
0.5
1.5
Materiales finos que pasan la malla No.200
en concreto:
Sujeción a la abrasión
En otros concretos
3.0*
5.0*
* En masa de la muestra total, en %.
** En el caso de material fino que pasa por la malla F0.075 mm (No 200), si este es
producto de la desintegración de rocas, los porcentajes límites se incrementan a 5 y 7%,
respectivamente. Los materiales que rebasen estos límites deben estar sujetos a la
aprobación del usuario.
b) Sanidad y materia orgánica: El agregado fino, sometido a cinco ciclos del método de
prueba que establece la NOM-C-75-1985, debe tener una perdida de masa no mayor de
10% con sulfato de sodio, o 15% si se usa sulfato de magnesio.
El agregado fino que no cumpla con lo anterior, podrán aceptarse si existen antecedentes
documentales de su empleo en concretos de propiedades semejantes, elaborados con
agregados del mismo banco que causan un comportamiento satisfactorio en condiciones de
intemperismo semejantes a las que se va a someter el nuevo concreto.
El agregado fino debe de estar libre de cantidades perjudiciales de impureza orgánicas. Los
agregados que al efectuar la prueba a la que se refieren las normas, den un color mas oscuro
que el No.3 deben rechazarse, excepto si se demuestra que la coloración es debida a la
presencia de pequeña cantidades de carbón, lignito o partículas semejantes, o bien, si se
169
demuestra que el efecto de las impurezas orgánicas en morteros ensayados a 7 días dan
resistencias no menores del 95%, conforme al método establecido.
3.3.1.5 AGREGADO GRUESO.
Material conocido como grava, que es retenido en la malla 4.76mm, 0.187in (No.4)
constituidos por cantos rodados, triturados o procesados, rocas trituradas, escoria de alto
horno, escoria volcánicas, concreto reciclado o una combinación de ellos u otros, y cuya
composición granulométrica varia dentro de los limites de la tabla 3.14.
a) Granulometría: para pilas y pilotes el agregado máximo usual es de 19mm (¾”). En la
tabla 3.3.1.7 se dan los requisitos granulométricos para gravas desde 25mm (1”) hasta
9.5(3/8”).
Cuando se tenga agregados gruesos fuera de los límites antes indicados, deberán procesarse
para satisfacer dichos límites. En el caso de aceptar que los agregados no cumplan dichos
límites, deberá ajustarse el procedimiento del concreto para compensar las deficiencias
granulométricas, por lo tanto, deberá demostrarse que el concreto tiene un comportamiento
adecuado. TABLA 3.14
GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO GRUESO
Tamaño
nominal
(mm)
37.5
(1 ½”)
25.0
(1”)
19.0
(3/4”)
12.5
(1/2”)
9.5
(3/8”)
4.75
(No.4)
2.36
(No.8)
1.18
(No.16)
25.0 a 12.5 100 90 a 100 20 a 55 0 a 10 0 a 5 - - -
25.0 a 9.5 100 90 a 100 40 a 85 10 a 40 0 a 15 0 a 5 - -
25.0 a 4.75 100 95 a 100 - 25 a 60 - 0 a 10 0 a 5 -
19.0 a 9.5 - 100 90 a 100 20 a 65 0 a 15 0 a 5 - -
19.9 a 4.75 - 100 90 a 100 - 20 a 55 0 a 10 0 a 5 -
12.5 a 4.75 - - 100 90 a 100 40 a 70 0 a 15 0 a 5 -
9.5 a 2.36 - - - 100 85 a 100 10 a 30 0 a 10 0 a 5
170
b) Sustancias nocivas: el agregado grueso deberá satisfacer lo indicado en la tabla 3.15. Es
de esperarse que los límites correspondientes a cada clase designada, sean suficientes para
asegurar un comportamiento satisfactorio del concreto para los diferentes tipos de concretos
y partes de la obra. Cuando no puedan conseguirse estos agregados de calidad adecuada
para satisfacer, por lo menos, algunos de los usos mencionados, estos pueden cumplir al
someterlos al tratamiento adecuado.
TABLA 3.15
LIMITES MÁXIMOS DE CONTAMINACIÓN Y REQUISITOS FÍSICOS DE CALIDADDEL AGREGADO GRUESO EN PORCENTAJE
G
Elementos A B C D E F Sulfato de sodio
Sulfato de
magnesioRegión de intemperismo
No expuestos a la intemperie: zapatas de Cimentación, columnas, vigas y pisos interioresCon recubrimiento
10.0
-
-
2.0
1.0
50
-
-
Pisos interiores, sin recubrimiento 5.0 - - 2.0 1.0 50 - - Expuestos a la intemperie: muros de Cimentaciones, muros de retención, pilas, Muelles y vigas
5.0
6.0*
8.0
2.0
0.5
50
12
18
Sujetos a exposición frecuente de humedad: Pavimentos, losas de puentes, andadores, Patios, pisos de entrada y estructuras marítimas
4.0
5.0
6.0
2.0
0.5
50
12
18
Expuestos a la intemperie concretos arquitectónicos
2.0
3.0
4.0**
2.0
0.5
50
12
18
Región de intemperismo apreciable Losas sujetas a tráfico abrasivo: Losas de puentes, pisos, andenes y pavimentos: Concreto arquitectónico Otras clases de concretos
4.0 8.0
- -
- -
2.02.0
0.51.0
5050
- -
- -
A. Total de terrones de arcilla y partículas deleznables B. Partículas de roca sílice con masa específica menor de 2.4 C. Suma de los conceptos anteriores D. Material fino que pasa la malla No.200 E. Carbón y lignito F. Pérdida por abrasión G. Pérdida en la prueba de sanidad (intemperismo acelerado) * Ver nota 4 ** Ver nota 2
171
NOTAS:
1) Esta limitación se aplica a materiales donde la roca sílice alterada se encuentra
como impureza, no es aplicable al agregado grueso que es predominantemente de
sílice alterada. La limitación del uso de tales agregados se basa en el antecedente de
servicio en donde se empleen tales materiales.
2) En el caso de agregados triturados, si el material que pasa por la malla No.200 es
del producto de la pulverización de rocas exentas de arcilla y/o pizarras, este límite
puede incrementarse a 3%.
3) La pérdida por abrasión del agregado grueso debe ser determinada en una muestra
con granulometría lo más cercana a la que va a ser usada en la producción del
concreto. Cuando se use más de un tamaño o más de una granulometría en un solo
tamaño, el límite de abrasión debe aplicarse a cada una de ellas. Las escorias de
altos hornos enfriadas al aire, trituradas, quedan excluidas de los requisitos de
abrasión, la masa volumétrica compacta de estos materiales de 1,120 Kg/m³.
4) Para construcciones de concreto en regiones cuya altitud sea mayor de 3,000 m
sobre el nivel del mar, estos requisitos deben reducirse en un 1%.
3.3.1.6 CEMENTO
El cemento es el conglomerante hidráulico que resulta de la pulverización del clinker a un
grado de finura determinado, al cual se le adiciona sulfato de calcio y agua.
El clinker es el material sintético granular, resultante de la cocción a una temperatura de
1,400°C de materias primas de naturaleza calcárea y arcilloferuginosa, previamente
triturados, dosificados, mezclados, pulverizados y homogeneizados. Esencialmente está
constituido de silicatos, aluminatos y ferroaluminatos cálcicos.
El cemento internacionalmente utilizado es el tipo Pórtland, que debe satisfacer la norma
ASTM C 150-98. Entre los tipos de cemento Pórtland tenemos: ordinario, puzolánico, con
escoria granulada de alto horno, y compuesto. La composición de los tipos de cementos se
define en la siguiente tabla:
172
TABLA 3.16
COMPOSICIÓN DE LOS CEMENTOS EN PORCENTAJES
Componentes
Tipo Denominación Clinker
Portlan +
yeso
Escoria
granulada
de alto
horno
Materiales
Puzolánicos
(3)
Humo
de
Sílice
Caliza Minoritarios
(2)
CPO Cemento Pórtland
ordinario
95-100
-
-
-
-
0-5
CPP Cemento Pórtland
Puzolánico
50-94
-
6-50
-
-
0-5
CPEG Cemento Pórtland
con escoria de
alto horno
40-94
6-60
-
-
-
0-5
CPC Cemento Pórtland
comupuesto (1)
50-94
6-35
6-35
1-10
6-35
0-5
CPS Cemento Pórtland
con humo de
sílice
90-99
-
-
1-10
-
0-5
NOTAS:
1) El cemento Pórtland compuesto debe llevar como mínimo dos componentes
principales, excepto cuando se adiciones caliza, ya que esta puede ser en forma
individual en conjunto de clinker más yeso.
2) Componentes minoritarios, deben ser uno o mas de los componentes principales, a
menos que estén incluidos ya como tales en el cemento.
3) Los materiales puzolánicos incluyen: puzolánas naturales, artificiales y/o cenizas
volantes.
Los cementos se clasifican también por su resistencia mecánica a la compresión en cinco
clases, definidas en la siguiente tabla:
173
TABLA 3.17 ESPECIFICACIONES MECÁNICAS Y FÍSICAS DEL CEMENTO
Resistencia a la compresión
(Nt/mm²)
Tiempo de fraguado
(mín.)
Estabilidad de volumen en
%
3 días 28 días Inicial Final Expansión Contracción
Clase
resistente
mínimo mínimo máximo mínimo máximo mínimo máximo
20 (*) 20 40 45 600 0.8 0.2
30 (*) 30 50 45 600 0.8 0.2 30R 20 30 50 45 600 0.8 0.2 40 (*) 40 - 45 600 0.8 0.2
40R 30 40 - 45 600 0.8 0.2
(*) Resistencia inicial: para un cemento es la resistencia mecánica a la compresión a los tres
días. Para indicar que un tipo de cemento debe cumplir con una resistencia inicial
especificada, se le agrega la letra R después de la clase. Solo se definen valores de
resistencia inicial a 30R y 40R.
3.3.1.7 ADITIVOS
Es un material diferente del agua, de los agregados y del cemento, que se emplea como
complemento del mortero o concreto, y que se agrega a la mezcla inmediatamente antes o
durante el mezclado, para modificar algunas de las características del concreto. Estos
aditivos pueden ser químicos (ver tabla 3.18) y minerales, satisfaciendo con las normas
ASTM C 309-98, 494-98a, 618-99.
Los aditivos minerales se presentan generalmente pulverizados, con finura mayor que la del
cemento, y sirve para mejorar las propiedades físicas del concreto fresco, especialmente
cuando se están usando agregados de granulometría diferente.
Estos aditivos se clasifican en tres tipos:
• Químicamente inertes: son la bentonita, la cal hidratada, el talco, los suelos
cuarzosos y los suelos calizos.
174
• Puzolánicos: son los materiales silíceos o sílico-alumínicos, que en sí no poseen o
poseen poco valor cementante, pero que finalmente pulverizados y en presencia de
la humedad reaccionan con el hidróxido de calcio, a temperaturas normales,
formando un compuesto que posee propiedades cementantes. Entre los puzolánicos
se encuentran las cenizas y vidrios volcánicos, las tierras diatomáceas, algunas
lutitas.
• Cementantes: son los cementos naturales, cales hidráulicas, los cementos de escoria
(mezcla de escoria de fundación con cal) y escoria de fundición de hierro granulado.
TABLA 3.18
TIPOS DE ADITIVOS QUÍMICOS
Tipo Características Observaciones
I Reductores de agua Disminuyen la cantidad de agua de mezcla requerida para
producir concreto de una consistencia dada.
II Retardantes de fraguado
Prolonga el tiempo de fraguado y el desarrollo de
resistencia del concreto, sin modificar necesariamente el
contenido de agua de la mezcla.
III Acelerantes de fraguado
Recorta el tiempo del fraguado y el desarrollo de la
resistencia del concreto, sin modificar necesariamente la
cantidad de agua de la mezcla.
IV Retardantes y reductores de agua
Prolonga el tiempo de fraguado y reduce la cantidad de
agua de mezcla requerida para producir concreto de una
resistencia dada.
V Acelerantes y reductores de agua
Acorta el tiempo del fraguado y el desarrollo de
resistencia del concreto y disminuyen la cantidad de agua
de mezcla requerida para producir concreto de una
consistencia dada.
VI Súper reductores de agua
Disminuyen la cantidad de agua de mezcla requerida,
para producir concreto de una resistencia dada, en una
cantidad considerablemente mayor que los reductores de
agua normales.
VII Súper reductores de agua y retardantes
Prolongan el tiempo de fraguado y reducen la cantidad de
agua de la mezcla requerida para producir concreto de
una resistencia dada, en una magnitud mayor que los
retardantes y reductores de agua normales.
175
3.3.1.8 CONCRETO
El concreto es un material compuesto, formado esencialmente por un medio cementante en
el cual están embebidas partículas o segmentos de agregados y aditivos, si es el caso. El
concreto de cemento hidráulico, el cementante lo forma una mezcla (pasta) de cemento y
agua.
A continuación se hacen referencias a las normas técnicas que rigen el concreto:
• ACI: 211.5R-96, 214-89, 304.11R-92, 308-92, 309-1R-96, 516R-65, 517-2R-92.
• ASTM C : 31/C M-98, 33-99, 39-96, 94N-99, 109/C 109M-99, 138-92, 143M-98,
171-97, 172-97, 173-94, 231-97, 309-98, 617-98.
a) Proporcionamiento:
El proporcionamiento de los constituyentes de la mezcla debe efectuarse de acuerdo a la
norma ACI 211.5R-96, en el entendido de que se están usando materiales que satisfagan los
requisitos de calidad exigido en las normas respectivas.
b) Fabricación:
La fabricación del concreto debe cumplir con la norma ACI 304.11R-92, de acuerdo al
tamaño de la obra, el concreto podrá ser fabricado en obra ó premezclado en una planta y
transportado al sitio mediante camiones mezcladores y/o agitadores, de conformidad con
las normas ASTM C 94-98c.
c) Colocación:
La colocación del concreto debe cumplir con la norma ACI 304-1R-92. La consolidación
debe efectuarse por vibración, de conformidad con la norma ACI 309.1R-96, con excepción
de las pilas o pilotes colados en el lugar, en las que el concreto se coloca con tubería
Tremie y no requieren vibración.
176
d) Curado:
El curado consiste en mantener un contenido satisfactorio de humedad y temperatura en el
concreto recién colado, para que se puedan desarrollar las propiedades requeridas. Debe
efectuarse con la norma ACI 308.1R-98, y puede efectuarse mediante:
• Curado con agua: por anegamiento o inmersión, rociado de niebla o aspersión,
costales, mantas de algodón y alfombras húmedas, tierra húmeda, arena y aserrín
húmedos, paja o heno húmedos.
• Materiales selladores: partículas plásticas, debe cumplir con los requisitos de la
norma ASTM C 171-97a. Papel impermeable, debe cumplir con los requisitos de las
normas ASTM C 171-97a.
• Membranas de curado: es un líquido que se aplica a la superficie de concreto
terminada, debe cumplir con la norma ASTM C 309-98a.
• Curado con vapor a alta presión: debe cumplir con los requisitos de las normas ACI
516R-65; y a baja presión debe cumplir con los requisitos de la norma ACI 517-2R-
92.
e) Especimenes de concreto:
Para el control de calidad del concreto mediante muestreo y ensayo de especimenes
cilíndricos estándar de 15cm de diámetro por 30.48cm de altura, salvo que se especifique
otro tamaño, se deberá satisfacer las siguientes normas: ASTM C 39, 617, 143, 31, 172,
138. Para la evaluación de los resultados de control de calidad de los ensayos cilíndricos se
seguirán los requisitos de la norma ACI 214-89.
3.3.2 PRUEBAS DE VERIFICACIÓN DEL CONCRETO DE LOS PILOTES
TERMINADOS.
Entre los métodos utilizados para la verificación del concreto de los pilotes o pilas
terminados se encuentran los siguientes: Métodos directos e indirectos, los cuales deben
satisfacer con las normas ASTM C 39-96, 42M-99, 174-97, 597-97, 803M-97, 805-97, 900-
93 y 1040-93.
177
A continuación se describen algunos de estos métodos utilizados internacionalmente:
1- Métodos Directos:
Se entienden como tales a los métodos destructivos:
a) Prueba de muestreo: se realiza con una broca de diamante accionada por una
perforadora de rotación para muestrear el concreto endurecido, recurriendo a la extracción
de corazones, el muestreo debe hacerse hasta que el concreto tenga el endurecimiento
suficiente para permitir la extracción del corazón sin alterar la adherencia entre el concreto
y el agregado grueso. Se considera que para obtener corazones sanos, el concreto debe tener
como mínimo, 14 días de edad. El muestreo debe realizarse de conformidad a las normas
ASTM C 42-99.
Este método presenta los siguientes inconvenientes:
• El costo es alto, ya que las brocas de diamante son caras.
• Es imposible detectar anomalías en toda la sección transversal de las pilas o pilotes,
ya que generalmente las perforaciones se realizan al centro de la misma y, dado lo
reducido de su diámetro deja incertidumbre acerca del estado que guarda la pila o
pilote cerca de la periferia.
• La resistencia obtenida de los corazones de concreto tiende a estar por debajo de la
obtenida de cilindros, fabricados durante el colado, por lo que la decisión sobre la
calidad de la pila o pilote debe considerar esta condición.
• El tiempo de ejecución de la perforación es considerablemente largo.
b) Prueba de extracción: este método mide la fuerza requerida para extraer una varilla de
acero previamente colada con el extremo y embebido. Debido a su forma, el ensamblaje de
varilla de acero se extrae junto con un trozo de concreto con la forma aproximada de un
tronco de cono. Esta prueba debe cumplir con la norma ASTM C 900-93.
La resistencia de la extracción se calcula con la relación de la fuerza al área idealizada del
cono truncado, y es cercana a la resistencia del corte de concreto. Se correlaciona con la
178
resistencia a la compresión de cilindros estándar o con la de corazones para una amplia
gama de condiciones de curado y de edad.
2- Métodos Indirectos:
Entendiendo como tales a los métodos no destructivos:
a) Prueba de integridad de pilotes (PIT):
Es un equipo que permite realizar pruebas de integridad de pilotes de modo no destructivo,
con lo cual no se dañan las estructuras por el hincado o colado in situ.
El funcionamiento ocurre a través de un pequeño martillo que cuando golpea un
acelerómetro conectado al PIT, genera una onda comprensiva la cual desciende por el
pilote. Esta onda cuando encuentra algún cambio en la sección transversal o en la calidad
del concreto, crea una onda de tensión ascendente, que más tarde se observa en la cabeza
del pilote.
Los registros, posteriormente son capaces de mostrar la velocidad de la onda en los
distintos sectores del pilote y a través de esto se obtiene la localización de los defectos. La
magnitud del defecto, se obtiene por la magnitud de la reflexión temprana.
Estas pruebas son rápidas, económicas de realizar y permiten que un operador, en un solo
día, aplique las pruebas en un gran número de pilotes o pilas ya colocados.
Realización de Prueba PIT en un pilote colado in situ.
179
El equipo de campo, esta compuesto por:
• PIT, instrumento muy compacto y construido sin partes movibles para condiciones
de campo duras, transportables fácilmente y que permite la operación de una
persona.
• Martillo
• Acelerómetro
b) Ensayo dinámico de pilotes (PDA):
Este ensayo principalmente determina la capacidad de ruptura de la interacción entre el
pilote y el suelo, para esfuerzos estáticos axiales. Difiere de las tradicionales pruebas de
carga estáticas por el hecho de que la carga es aplicada dinámicamente, a través de golpes
de un sistema de percusión adecuado. La medición se hace por medio de la instalación de
sensores en el fuste, en una sección situada por lo menos dos veces el diámetro del pilote
abajo de su cabeza. Las señales de los sensores son enviadas por cable al equipo PDA,
donde son almacenadas y procesadas.
En pilotes colados “in situ”, es recomendable hacer una preparación previa, la que consiste
en la ejecución de un cabezal de concreto para recibir los impactos. Los sensores deben ser
instalados preferentemente en el fuste del pilote, y no en el cabezal.
Realización de Prueba PDA en pilotes colados in situ, utilizando sensores.
180
Los golpes son aplicados por cualquier sistema capaz de liberar un peso en caída libre.
Debe usarse madera contrachapada, a veces encimadas por una chapa metálica, para
amortiguamiento de los golpes.
c) Prueba Cross Hole: consiste en la emisión de una vibración que se genera dentro de un
tubo lleno de agua, que se coloca fijo en el armado, previo al colado. La captación de esta
onda se realiza por medio de un receptor colocado al mismo nivel del emisor pero en otro
tubo; la operación se repite a lo largo del elemento, obteniéndose una gráfica en la cual se
aprecia el tiempo de preparación de las ondas captadas.
Cada anomalía detectada se caracteriza por una disminución drástica de la amplitud de
onda, captada y en un incremento de tiempo de recorrido.
Para la ejecución de este método de verificación se requiere que previamente sean
colocados tubos metálicos a lo largo de todo el elemento. De la cantidad de estos dependerá
la precisión de la verificación.
Este método presentas las siguientes ventajas:
• Buena localización de anomalías tanto en profundidad como en la sección de las
pilas y pilotes, siempre que sea suficiente el número de tubos para la ejecución de la
prueba.
• Interpretación en forma inmediata.
• Registro continuo en toda la longitud del elemento.
Una desventaja de este método es la imposibilidad de detectar la calidad del concreto entre
la pila o pilote y el terreno natural, la máxima distancia recomendada entre los sensores es
de 1.50m.
181
3.3.3 SUPERVISION DURANTE LA CONSTRUCCIÓN DE PILAS O PILOTES
La supervisión de la construcción de pilas y pilotes debe garantizar que se construyan de
conformidad con las hipótesis de diseño y las especificaciones de construcción, y dentro de
las tolerancias aceptables o, en caso de presentarse una desviación excesiva, proporcionar la
información necesaria para poder aplicar medidas correctivas.
El comportamiento de una cimentación profunda depende, en gran medida, de su
construcción. La correcta selección del procedimiento y del equipo de construcción, la
calidad de la mano de obra y el control estricto de todo el proceso, son aspectos esenciales
en la construcción de una cimentación profunda.
La supervisión debe realizarla el proyectista, contando con personal de amplia experiencia
en los trabajos de construcción de cimientos profundos, y que tenga la preparación
académica necesaria y suficiente para ver e interpretar lo que ve. Es necesario que la
supervisión sea continua durante toda la construcción, a fin de asegurarse de que las
condiciones del subsuelo sean congruentes con la del diseño y que la construcción se lleve
a cabo de conformidad con:
• Reconocer procedimientos de construcción eficientes.
• Interpretar correctamente los registros de perforación y de los hincados de pilotes.
• Evaluar adecuadamente las condiciones reales del subsuelo. 3.3.3.1 PILAS Y PILOTES COLADOS “IN SITU” a) Supervisión:
La supervisión de construcción de las pilas y pilotes incluye, entre otros aspectos:
• La corroboración de su localización.
• La vigilancia durante la perforación.
• El control de la fabricación y manejo del lodo de perforación, si se requiere.
182
• La protección del agujero, entendido como tal el cuidado de su estabilidad durante
la perforación y durante la colocación del armado y del colado del concreto.
• La protección de las construcciones vecinas.
• La verificación de la verticalidad de la perforación y de las dimensiones del fuste y
de la campana, si la hubiere.
• La conformidad de la profundidad de desplante y de las características del material
en que se apoyara el elemento.
• La revisión del acero de refuerzo y que cuente con los elementos rigidizantes
necesarios para su manejo.
• La verificación de la calidad de los materiales de construcción.
• La vigilancia del izado, manejo y colocación del acero de refuerzo.
• La verificación de que los procedimientos de colocación del concreto y de manejos
delos lodos sean los adecuados.
Deberá realizarse con una brigada de topografía el trazo de cimentación, marcado con una
estaca la localización del centro de cada elemento, indicando la profundidad de perforación
y la de desplante. Una vez terminada la colocación del pilote o el colado de este deberá
verificarse su posición real, siempre con una brigada de topografía, a fin de comparar con la
tolerancia prevista.
La supervisión deberá contar en obra con una copia del estudio geotécnico, el que, además
de información general sobre secuencia estratigráfica, tipos de suelos y resistencia al corte,
deberá contar con la siguiente información:
• Presencia de estratos permeables de grava, arena o limo; niveles piezométricos en
tales estratos.
• Nivel piezométrico en el estrato de apoyo.
• Caudal del agua que fluye de los estratos de apoyo hacia el barreno (aún en roca).
• Presencia de obstrucciones grandes arriba del nivel de desplante y procedimientos
para la remoción de las mismas.
• Presencia de gas natural en el suelo o roca.
• Análisis químico del agua freática.
183
• Caudal de descarga de las bombas de achiques, cuando se usen, y determinación del
porcentajes de finos arrastrados por el agua. Para esto resulta útiles los tanques de
sedimentación con cretas vertedoras.
b) Excavación.
Entre los puntos que se deben verificar o anotar durante la excavación, destacan:
• Información general: fecha, condiciones atmosféricas, identificación individual,
hora de inicio y de terminación de la excavación, equipo utilizado, personal.
• Localización topográfica de la pila o pilote al inicio y al termino de la excavación.
• Conformidad del procedimiento de excavación con las especificaciones de
construcción o con la práctica correcta (se aconseja que toda obra de cimentación
tenga sus propias especificaciones que rijan durante toda la construcción).
• Verticalidad y dimensiones de la excavación a intervalos regulares. La verticalidad
de la excavación se debe comparar con el valor de proyecto y con la desviación
permisible especificada.
• Bondad del método y equipo usado para atravesar estratos permeables, si los
hubiere.
• Bondad del método y equipo usado para atravesar grandes obstrucciones, si las
hubiere.
• Seleccionar adecuadamente la secuela de excavación y colado, cuando se contemple
ejecutar simultáneamente varios pilotes o pilas relativamente cercanas, a fin de
garantizar el movimiento del equipo, su seguridad, la de las construcciones vecinas,
así como la estabilidad de las excavaciones.
• Registro de los estratos de suelo atravesados durante la excavación.
• Profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo y cota del fondo de la
perforación.
• Elevación y geometría de la campana, si hubiere.
• Calidad del estrato de apoyo (esto debe hacerse mediante inspección visual, siempre
que sea posible). Para altas capacidades de carga se recomienda la obtención de
núcleos y el ensayo in situ del material hasta una profundidad de 1 a 2 diámetros
184
bajo el nivel de desplante. El supervisor debe decidir cuando se a alcanzado el
estrato de apoyo y cual es la profundidad correcta de los pilotes o pilas.
• Limpieza del fondo y de las paredes de la excavación y del ademe permanente (o
perdido), si lo hubiere, con la herramienta adecuada.
• Gasto de filtración hacia la excavación.
• Calidad del lodo bentonìtico, si se requiriera.
• Perdida del lodo, si la hubiera (hora, elevación, cantidad).
• Cuando la excavación atraviese arcillas blandas bajo el nivel freático, no debe
extraerse la cuchara a velocidad tal que provoque succión y, en consecuencia,
caídos. En este caso conviene subir la cuchara en etapas, permitiendo el
establecimiento de la presión, o dejando en el centro de la misma una tubería que
permita el rápido paso del lodo hacia la parte inferior de la cuchara mientras este
suba despacio. Se debe evitar el uso indiscriminado de los lodos y el nivel del lodo
deberá permanecerá lo mas arriba posible del nivel freático.
c) Colado del concreto.
Después de haber inspeccionado y aprobado la excavación, se puede proceder a colocar el
acero de refuerzo y el concreto. Entre los aspectos que se deben verificar o anotar,
destacan:
• Información general: fecha, condiciones atmosféricas, identificación de los pilotes o
pilas, hora de inicio y hora de terminación del colado.
• Calidad del concreto: proporcionamiento, revenimiento, resistencia, agregado
máximo, hora de mezclado, hora de salida, hora de llegada, hora de inicio de
descarga, hora de termino de la descarga, volumen del colado, identificación del o
de los camiones. Se deberá tomar una muestra de tres cilindros de cada 10m³ de
concreto para el ensayo a la edad de 28 días.
• Que el método de colocación y posicionamiento correcto del tubo o canalón de
descarga del concreto sean los correctos; llevar registros continuos del
embebimiento del extremo del tubo tremie en el concreto. No usar tubería que tenga
elementos que se atoren por dentro ni por fuera.
185
• Observar las condiciones del fondo del agujero, si es que es posible,
inmediatamente antes del colocar el concreto.
• Observar las condiciones de las paredes del agujero o del ademe de acero que estará
en contacto con el concreto fresco y anotar la posición del nivel freático detrás del
ademe. El concreto deberá colocarse inmediatamente después de esta inspección.
• Observar si el acero de refuerzo esta limpio y colocado en su posición correcta y si
el diámetro, longitud y espaciamiento de las varillas longitudinales delos estribos es
el adecuado. La unión de las varillas deben ser a base de soldadura, a tope.
• Observar que la posición del acero de refuerzo sea de conformidad con los planos y
especificaciones.
• Observar el método de colocación del concreto y asegurarse de que no hay
segregación de material cuando se utilizan procedimientos tales como caída libre
desde, una tolva, tubería tremie y botes con descarga de fondo. No usar concreto
bombeado a menos que sea colocado con tubería tremia.
• Cuando se deba colocar concreto bajo lodo bentonitico, debe hacerse una limpieza
previa de este, desarenándolo, o bien una sustitución completa del lodo.
• Realizar pruebas en el concreto fresco, tales como: revenimiento, aire incluido y
peso volumétrico.
• Asegurarse de que el concreto se coloca en forma continua, sin interrupciones ni
retrasos largos y que dentro del ademe se mantenga una altura de concreto
suficiente si es que se va a extraer. Si no se utiliza el ademe, verificar el peso del
concreto sea suficiente para equilibrar la presión hidrostática presente.
• Calcular el volumen del concreto colocado y compararlo con el equivalente a la
altura de la perforación.
• La supervisión debe de estar pendiente de que el concreto no se contamine con el
suelo debido del desprendimiento de las paredes.
• Consolidar mediante vibración el último tramo de 1.50 a 3.0mt. De altura cuando el
concreto tenga un revenimiento menor de 10.0cm (lo cual no se aconseja; el
revenimiento mínimo debe de ser de 15.0cm, para asegurar un flujo continuo).
• Determinar la cota del descabece y la longitud exacta de cada elemento.
186
• Verificar in situ la calidad de los pilotes y pilas terminadas, mediante algunas de las
pruebas antes mencionadas.
• Verificar topográficamente la localización final de los pilotes o pilas terminadas.
d) Criterios de aceptación.
• Localización.
• Concreto.
• Tubería tremie.
• Acero de refuerzo.
Todos estos elementos se contemplan en la siguiente tabla:
TABLA 3.19
TOLERANCIA ACEPTADAS EN LA FABRICACIÓN DE PILAS Y PILOTES.
CONCEPTO TOLERANCIA CON RELACION
ALASESPECIFICACIONES
Traslape de acero de refuerzo Menor al 50% en una sección
Separación del acero de refuerzo tanto en el
sentido longitudinal como en el transversal Mayor de 20.0cm
Acero de refuerzo en extremo Sin dobleces y recubrimiento
Recubrimiento del acero de refuerzo Mayor de 7.0cm; con ademe metálico recuperable
mayor de 14.0cm.
Diámetro interior del tubo tremie Mayor de 10.0 veces el tamaño máximo de
agregados del concreto y menor de 12.0¨
Unión entre tramos de tubo tremie Impermeable cuando se introduzca en agua
Revenimiento del concreto Mayor de 18.0cm
Tamaño máximo de agregado del concreto 3/4”
Excentricidad radial con relación al trazo de los
pilotes o pilas medido en la plataforma de trabajo
15.0% del diámetro de la sección delos pilotes o
pilas, en suelos con presencia de boleo se acepta el
20.0%
Desviación horizontal con relación al eje de
inclinación proyectado
2.0% de la longitud total de la pila o pilotes, en
suelos muy heterogéneos se acepta el 4.0%.
187
• Verticalidad:
La tolerancia permisible esta comprendida entre 1.0 y 2.0% de la longitud final de
los pilotes o pilas, pero sin exceder el 12.5% del diámetro de la pila o pilotes o
38.0cm en el fondo, lo que sea menor.
• Campana:
El área del fondo de campana no será menor del 98.0% de la especificada. En
ningún caso la inclinación del talud de las paredes de la campana será menor de
55.0 grados con la horizontal y el arranque vertical de la campana debe tener
cuando menos 15.0cm de altura. El talud vertical de la campana debe ser
preferentemente una línea recta o, en su defecto, ser cóncavo hacia abajo. En ningún
caso ser cóncavo hacia arriba en mas de 15.0cm medidos en cualquier punto a lo
largo de una regla colocada entre sus extremos.
• Limpieza:
Se deberá remover todo el material suelto y de azolve del fuste y de la campana
antes de colar el concreto. En ningún caso el volumen de tales materiales excederá
el equivalente al que fuera necesario para cubrir un 5.0% del área en un espesor de
5.0cm.
• Ademe:
El ademe debe manejarse y pretejerse de tal modo que no se ovale mas de2.0% del
diámetro nominal.
e) Informes diarios:
La supervisión entregara un informe diario firmado al director de la obra, al proyectista
estructural y al ingeniero geotécnico, en formas preparadas ex profeso. Estos informes
deben contener lo siguiente:
• Localización precisa y dimensiones de las perforaciones realizadas.
• Elevación precisa del brocal del fondo.
• Registro de mediciones de la verticalidad.
188
• Método empleado para la perforación.
• Descripción de las condiciones en que se encontró el nivel freático.
• Descripción de los materiales encontrados durante la perforación.
• Descripción de las obstrucciones encontradas y removidas.
• Descripción del ademe temporal o recuperable y del permanente colocado,
incluyendo su finalidad. Longitud y espesor de la pared, así como el empotramiento
y sello obtenido, si estaba proyectado.
• Descripción de cualquier movimiento del suelo o del agua, estabilidad de campana
y de las paredes, perdida del suelo, método de control y necesidades de bombeo.
• Datos obtenidos de la medición directa de la perforación y de la campana.
• Descripción de los métodos de limpieza alcanzado inicialmente.
• Elevación a la cual se encontró el material de apoyo. Descripción del material de
apoyo, sondeos realizados, método de muestreo, velocidad de avance en roca,
especimenes recuperados, pruebas realizadas y conclusiones alcanzadas en relación
con el material de apoyo.
• Descripción del grado de limpieza justamente antes de colar el concreto.
• Registro de la profundidad del espejo de agua dentro de la perforación y gasto de
filtración antes de colar el concreto.
• Registro de la supervisión del acero de refuerzo, en cuanto al armado en si, posición
y calidad.
• Método de la colocación del concreto y de la extracción del ademe, si lo hubiere.
Registro de la carga de altura del concreto durante la extracción del ademe. Registro
de la elevación del concreto al iniciar la consolidación por vibración, si fuere el
caso.
• Registro de las dificultades encontradas. Debe contener posibles huecos, posible
estrangulamiento y posible colapso del ademe.
• Condición del concreto entregado en obra, incluyendo el revenimiento, peso
volumétrico, aire incluido, fabricación y ensayos de cilindros a compresión y otras
pruebas.
189
• Registro de cualquier desviación de las especificaciones y decisiones tomadas al
respecto.
f) Causas más comunes de pilas y pilotes defectuosos.
• Formación de huecos en el fuste por la extracción inadecuada del ademe.
• Desconchamiento del suelo, dando lugar a contaminación del concreto.
• Localización incorrecta, falta de verticalidad o refuerzo inadecuado.
• Colocación inadecuada del concreto, dando lugar a segregación.
• Estrangulamiento del fuste.
• Colapso del ademe.
• Formación de justas frías.
• Migración del agua y segregación, que originan un concreto débil.
• Concreto de baja calidad entregado en obra.
• Contaminación del concreto con lodo de perforación.
• Estrato de apoyo inadecuado.
3.3.4 MEDIDAS DE SEGURIDAD
La construcción de cimentaciones profundas, como sucede en otras especialidades, requiere
de medidas de seguridad particulares durante su desarrollo. Las ventajas que se obtienen al
trabajar dentro de un ambiente en el que se cuidan y vigilan los aspectos de seguridad de las
personas que intervienen directamente en los trabajos, así como la de las personas que
pueden estar cerca o dentro del área de ejecución; asimismo, se logra disminuir
considerablemente el riesgo al que se someten los equipos de construcción. A continuación
se describen algunos aspectos a tomar en cuenta:
190
1- Equipo de protección personal.
Entre estos tenemos:
a) Protección para la cara y ojos: es necesaria cuando existe un riesgo inherente para
los ojos debido a partículas volantes, químicos peligrosos y radiaciones.
b) Protección para los pies: es necesaria cuando el trabajador está expuesto a sufrir
lesión en los pies debido a temperatura, sustancias corrosivas, sustancias peligrosas,
caída de objetos que podrían generar alguna lesión al pie, o cuando deba trabajar
bajo condiciones de humedad.
c) Protección para las manos: es necesaria cuando el trabajador está expuesto a
cortaduras, quemaduras, o daños producidos por agentes físicos o químicos.
d) Protección para el cuerpo: la ropa apropiada para el trabajo deberá ser usada el
personal, y no se deberá utilizar ropa que se sature con líquidos inflamables o con
agentes corrosivos y oxidantes. Se deberán proporcionar también cascos de
protección.
e) Protección auditiva: los niveles de ruido arriba de 90 dba son frecuentes durante
operaciones de construcción. Esta exposición no puede ser reducida a niveles
inferiores, por lo que los trabajadores deberán utilizar la protección auditiva.
f) Protección respiratoria: será necesaria la utilización de mascarillas cuando el
personal esté expuesto a excesos de polvo en las zonas de trabajo.
2- Primeros auxilios.
a) Un botiquín de primeros auxilios deberá ser provisto en el lugar de trabajo.
b) Se deberá tener un servicio de asistencia médica para los casos de emergencia.
c) Algún personal podrá ser entrenado en caso de requerirse los primeros auxilios, y
deberán poseer certificados de haber recibido el curso por la cruz roja.
3- Salubridad.
a) El agua que se suministre en cada lugar de trabajo, deberá ser potable.
b) Deberá existir facilidad de servicios sanitarios que serán colocados en cada sitio de
trabajo.
191
c) De acuerdo al Ministerio del Medio Ambiente, se deberá proporcionar 1 servicio
sanitario por cada 20 trabajadores.
d) Los servicios sanitarios deberán permanecer limpios y con papel sanitario.
e) Adecuadas facilidades de lavado, deberán ser provistos para los trabajadores
encargados de trabajos que involucren operaciones con pinturas o recubrimientos.
f) Al no existir sanitarios cerca de la obra, se deberán proporcionar sanitarios móviles.
4- Extintores de fuego.
Los extintores de fuego tipo ABS, deberán permanecer cargados y revisados mensualmente
y se les dará un servicio anualmente. Se deberán colocar en un perímetro cercano de las
áreas de trabajo y en la maquinaria a utilizar.
5- Soldaduras.
Los riesgos para los trabajadores que realizan los trabajos con soldaduras provienen de la
exposición a vapores inflamables, gases tóxicos por encontrarse en lugares estrechos o
confinados. Por lo que antes de comenzar cualquier operación de soldadura se deberá tomar
en cuenta las siguientes normas de seguridad:
a) Ningún tipo de soldadura estará permitido realizar en ambientes explosivos.
b) Se deberá remover o guardar todo material de combustible de las áreas de trabajo.
c) Proveer el extintor mas conveniente, contenedores de agua y manqueras para todas
los lugares de trabajo.
d) Algunos accesorios que deberán proveerse para realizar esta práctica son: guantes
no inflamables, casco adecuado y protección para los ojos con pantallas oscuras
debido a los destellos que produce la soldadura con rayos ultravioleta.
6- Seguridad con la maquinaria de construcción.
Una correcta elección del procedimiento constructivo y del equipo por utilizar, disminuye
la posibilidad de errores humanos durante las maniobras, mejorando la calidad de la
cimentación que se construye, y reduciendo los costos en la mayoría de los casos. A
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continuación se comentan algunas recomendaciones para las obras mas comunes de
cimentaciones profundas:
a) Accesos y plataformas de trabajo:
Los equipos utilizados en las cimentaciones profundas requieren de accesos firmes y
seguros, ya que se trata de maquinaria pesada que transita sobre orugas o neumáticos. No se
debe trabajar sobre plataformas inestables, procurando apoyar los equipos lejos de las
orillas de los hombros de los taludes.
b) Obstáculos terrestres y/o aéreos:
La altura convencional de los equipos diseñados para la construcción de cimentaciones
profundas es superior a los 20 m; antes de iniciar cualquier trabajo es necesario
inspeccionar el lugar donde se desarrollarán, observando con especial atención los
obstáculos terrestres y/o aéreos, que en la mayoría de los casos corresponden a
instalaciones eléctricas o de algún otro tipo. En el caso de que los obstáculos mencionados
existan, se debe proceder a solicitar la interrupción de los servicios.
c) Cables:
Durante las maniobras de fabricación de pilotes, perforación e hincado se debe poner
atención a los cables de acero usados en las maniobras, incluyendo su colocación,
utilización, mantenimiento y revisión de accesorios.
d) Grúas:
El sistema de frenos de los tambores de las grúas debe estar en óptimas condiciones, ya que
un descuido en su mantenimiento puede provocar perder el control de la maniobra de las
cargas. Es recomendable conocer las capacidades de carga y longitudes e inclinaciones de
las plumas de las grúas, para evitar que el equipo falle con alguna carga.
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e) Maniobra:
Durante las maniobras, ninguna persona debe permanecer debajo de la carga. Para el
manejo y dirección de la posición de los pilotes hincados, se recomienda utilizar cables de
manila o polipropileno que tenga la longitud suficiente que permita cumplir con lo anterior.
f) Movimiento de pilotes prefabricados:
Se debe garantizar que la resistencia del concreto a adquirido la capacidad necesaria para
poder levantar los pilotes de las camas de fabricación. Los puntos de levante deben estar
definidos desde el habilitado del acero para garantizar que los esfuerzos serán inferiores a
los resistentes y estén repartidos en las anclas adecuadamente, durante la maniobra de
despegue de pilotes.
El desmoldante utilizado debe evitar que un pilote quede adherido al molde para que los
esfuerzos no varíen de los considerados. No es recomendable levantar un pilote de un
extremo para despegarlo de la cama.
g) Cargas:
No es conveniente jalar cargas con la grúa, para evitar balanceos que puedan golpear la
caseta donde se encuentra el operador, o bien el desplazamiento de la carga en otra
dirección. Durante las maniobras, se debe mantener la carga lo mas cercano posible al
suelo, evitando que el personal se encuentre sobre la misma.
h) Equipo:
El personal no debe bajar ni subir de un equipo que esté en movimiento. Se deberá
mantener limpio el parabrisas de la grúa para permitir siempre buena visibilidad. Antes de
abrir alguna conexión o llave de algún sistema hidráulico para su revisión, se recomienda
verificar que el sistema haya liberado la presión.
Cuando el equipo esté funcionando, no es conveniente cargar combustible. La revisión de
depósitos de combustible y de baterías debe realizarse utilizando lámparas sordas.
194
7-Colocación del material en la obra
a) Acero de refuerzo.
Debido a que el acero de refuerzo ya habilitado debe ser maniobrado en condiciones
diferentes a las del elemento diseñado por construir, es necesario conocer el
comportamiento del armado al ser maniobrado.
Al introducir los armados dentro de los moldes de los pilotes o en la perforación de las
pilas, es necesario revisar que los estribos estén debidamente amarrados para evitar que se
desprendan durante la maniobra. Es recomendable también revisar que lo largo de los
castillos no quede desperdicios de acero, así como herramientas, antes de realizar las
maniobras.
Es necesario considerar la longitud de los armados para determinar la posible presencia de
deformaciones que provoquen rotura de amarres, o bien se determina si se requieren utilizar
peine de levante para pilotes o introducir el armado para pilas. En ocasiones se resuelve
este problema colocando rigidizadores en los armados.
b) Concreto.
En algunas cimentaciones se realizan los colados con bomba y pluma, debido a las
dimensiones del terreno en el que se trabaja, el nivel en el cual se encuentra el equipo de
cimentación, o la falta de acceso a la zona. En estas condiciones se debe revisar el correcto
funcionamiento de las llaves en las uniones de la tubería, para evitar que el concreto se
derrame cayendo juntas con las mismas.
Cuando se utilicen depósitos portátiles para colocar el concreto, debe garantizarse que el
soporte sea el adecuado para la carga y que el mecanismo de la compuerta trabaje
correctamente, para evitar que el concreto caiga antes de llegar a donde se va a depositar,
esta maniobra debe realizarse con un manejo suave.
En el colado de las pilas o pilotes es necesario que el personal este alrededor de la
perforación para manejar correctamente la tubería tremie, por lo que se debe contar con una
estructura en la cual el trabajador pueda pararse y que evite su caída dentro de la
perforación. Esta estructura también garantiza la seguridad durante el acoplamiento de los
tramos de tubería.
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En caso de utilizar calderas de vapor para el curado del concreto en la fabricación de los
pilotes, se debe revisar periódicamente los depósitos de combustible, tuberías, válvulas,
conexiones y serpentín para evitar explosiones. Este equipo debe de ser utilizado por
personal capacitado específicamente para esta actividad. No es recomendable tratar de abrir
una conexión cuando el equipo este en operación, ya que este trabaja con presiones y
temperaturas altas, pudiendo provocar del vapor quemaduras y la conexión puede
desprenderse con gran fuerza.
8-Perforación
a) Brocales.
Para evitar caídos de material dentro de las perforaciones, es importante utilizar brocales
adecuados de acero, concreto u otros, para evitar exponer a algún peligro a los trabajadores
y al equipo que se encuentra adyacente a la perforación.
Se recomienda que el brocal utilizados para estos casos, quede empotrado en la perforación
por lo menos dos veces su diámetro. En cuanto a la parte superior, es necesario que sobre
salga de 30 a 40cm como mínimo, del nivel de trabajo.
b) Perforaciones adyacentes.
Es importante llevar acabo una planeación en la ejecución de las perforaciones, para evitar
hundimientos accidentales, los cuales son provocados por fallas en las paredes de las
perforaciones o comunicación de ellas al existir vibraciones en el suelo.
c) Retiro de material.
El material producto de las perforaciones es muy inestable para el apoyo del equipo, debido
a su estado suelto. Cuando se perfora por debajo del nivel freático, el problema aun es
mayor, ya que la superficie de trabajo se cubre de lodo.
Cuando se utilizan lodos bentoniticos para la estabilización de las paredes de las
perforaciones, la plataforma de trabajo puede llegar a ser inestable y resbaladiza. Cuando
no se logra retirar eficientemente los lodos de la superficie, se debe tener cuidado en
señalizar y proteger los puntos donde se encuentren perforaciones abiertas.
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d) Descenso a perforación.
En algunos procedimientos constructivos, es necesario la construcción de campanas (pilas),
o simplemente la inspección ocular del desplante de las perforaciones, para lo cual el
personal deberá descender a su interior. Es recomendable poner especial atención a la
presencia de gases tóxicos o ausencia de aire respirable.
Estas circunstancias se advierten cuando se perforan en formaciones calcáreas, turba,
materia orgánica en productos de descomposición, rellenos sanitarios o basureros.
Las características del subsuelo o la vibración del equipo dentro y fuera de la perforación,
pueden hacer fallar la estabilidad de las paredes de la perforación, por lo que es conveniente
utilizar ademes metálicos en toda la longitud, evitándose así que la perforación se cierre
con el personal en su interior.
Los trabajadores dentro de una perforación siempre deben de utilizar un armes de
seguridad, el cual se sujetara a un cable de rescate durante todo el tiempo que permanezca
laborando en su interior.
e) Perforaciones abiertas.
Es común que algunas perforaciones queden abiertas temporalmente en cambios de turno,
por lo que es recomendable utilizar tapas especiales que eviten la caída accidental de alguna
persona.
En caso de que los trabajos continúen inmediatamente al finalizar la perforación, es
suficiente con señalizar el área.
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CONCLUSIONES
- Para poder determinar el tipo de cimentación a utilizar, es necesario conocer las
propiedades y características de cada uno de los suelos encontrados. Así como su
granulometría, plasticidad, ángulo de fricción interna del suelo, cohesión, peso
específico y otros.
- Se establecieron de una manera específica los tipos de cimentaciones más comunes,
como superficiales, profundas y semiprofundas. Para las cuales se hace necesario
conocer la capacidad de carga del suelo donde se necesita apoyar la cimentación,
que se puede determinar mediante los métodos propuestos por Terzaghi y
Meyerhof.
- Se hizo una recopilación de los estudios de laboratorio realizados en la ciudad de
San Miguel, representados mediante tablas estratigráficas y una zonificación de la
ciudad. En ellas se determinan el tipo de material predominante en cada una de las
zonas y la resistencia a la penetración “N”, establecidos mediante ensayos de
penetración estándar.
- En la zonificación establecida por nuestra investigación, se realizaron estudios de
laboratorio de penetración estándar en cada zona para verificar las características y
propiedades del material existente, así como su capacidad de carga, de acuerdo a las
tablas estratigráficas y al Plan de desarrollo urbano de la ciudad.
- Se encontró en la zona 1, el material más desfavorable para la construcción de la
edificación propuesta, por lo que se hace necesario la cimentación profunda
mediante pilotes colados en el lugar, siendo éste el método más efectivo y
económico ejecutado actualmente en nuestro país.
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- Para la realización del diseño tipo de pilote, se consideró el método de pilotes por
punta, establecido por los resultados de laboratorio de las pruebas ejecutadas. Al
mismo tiempo, se verificaron los datos proporcionados por el laboratorio, como:
capacidad de carga y diámetro del pilote.
- Se establecieron los distintos procesos constructivos de cimentación profunda
mediante los diferentes métodos utilizados en nuestro país y en el extranjero.
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RECOMENDACIONES
- No se deberá considerar para la ejecución de los diferentes tipos de cimentaciones,
los valores de las tablas estratigráficas recopiladas con la información de los
estudios de laboratorios, realizados en los suelos de la ciudad de San Miguel, ya que
son representaciones generales y promedios que sirvieron de base en esta
investigación.
- Es conveniente en el área a construir, realizar una exploración geotécnica
exhaustiva de la zona, con los diferentes ensayos de laboratorio. Dependiendo de la
magnitud de la obra, es recomendable realizar ensayos triaxiales y de consolidación.
- Como ingeniero realizador o constructor de la obra es necesario conocer las
propiedades y características de suelos, para poder determinar y verificar la
capacidad de carga del suelo que soportará la estructura, ya que generalmente el
subsuelo de la ciudad es predominante el material arcilloso.
- Para la construcción de todo tipo de edificación, utilizando cimentaciones
profundas, será necesario realizar un buen sistema de drenaje, con el objeto de
evitar posibles infiltraciones en el subsuelo y reducir la capacidad de carga del
pilote.
- Se recomienda utilizar para el tipo de pilote a construir, el método de Pilotes de
concreto colados in situ, ya que son los más utilizados en nuestro país, ya sean por
condiciones económicas de la mano de obra y factibilidad de maquinaria para su
construcción.
- El constructor o ingeniero encargado de la obra de pilotaje, deberá estar presente en
las actividades como: perforación, colocación del acero, colado del concreto y otras.
Y se deberán realizar las pruebas necesarias para la verificación del concreto
utilizado en la construcción de los pilotes.
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GLOSARIO
- Capacidad de carga del suelo: es la capacidad que tiene un suelo para soportar una
carga sin que se desconozca falla dentro de su masa.
- Capacidad de carga admisible: este es el valor máximo admisible para el esfuerzo
de compresión vertical del suelo en la superficie de contacto de los elementos de
apoyo.
- Pilotes: son miembros estructurales hechos de acero, concreto y madera usados para
construir cimentaciones profundas y semiprofundas.
- Cabeza: parte superior del pilote, es la que recibe los golpes sucesivos del maso
para su hincado.
- Fuste: es el cuerpo del pilote; es una columna estructural que está fija a la punta y
generalmente empotrado en la cabeza.
- Punta: es la parte final del contacto permanente con el suelo y se protege con un
casco metálico (pilotes hincados).
- Pilotes colados “in situ”: son pilotes en los que se abre un agujero con una
perforadora (o de forma manual), ya sea la dimensión que se necesite para luego
proceder a la colocación de el acero estructural y luego se llena este con concreto.
La forma de soportar las cargas puede ser por fricción o de punta.
- Pilotes de acero: son capaces de absorber grandes esfuerzos de flexión y de cortante
con secciones de áreas pequeñas.
- Pila de concreto: es un miembro estructural subterráneo que tiene la función igual
al de una zapata, es decir, transmitir las cargas a un estrato capaz de soportarla, sin
peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo.
- Arenas: son pequeñas partículas de formas redondeadas o angulosas que proceden
de rocas disgregadas.
- Limos: son suelos compuestos de partículas muy finas, con poca o ninguna
plasticidad, cuyos diámetros varían de 0.05 a 0.005 mm aproximadamente.
- Arcillas: están compuestas de partículas finas, generalmente en forma de laminillas
o escamas, cuyos diámetros llegan a ser menores de 0.005 mm.
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- Suelos Cohesivos: es la propiedad de atracción intermolecular que hace que sus
partículas se mantengan muy unidas entre si; como las arcillas.
- Suelos no Cohesivos: están formados por partículas duras de diversos diámetros en
forma suelta o muy sueltas como las arenas, y no poseen cohesión.
- Permeabilidad: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se
mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene
dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al
agua en su travesía por la masa del suelo.
- Resistencia al corte: analizar la fuerza actuante sobre el peso propio del suelo,
cargas aplicadas y determinar la resistencia del suelo con el objeto de establecer los
valores de la cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo.
- Textura: es el grado de finesa y uniformidad del suelo descrito según la sensación
que produce el tacto y por descripción visual.
- Estructura: es la forma que las partículas de suelo se disponen (entre sí) dentro de
la masa del suelo, conformando su esqueleto.
- Consistencia: es el grado de tracción entre las partículas del suelo y la resistencia
ofrecida a las fuerzas que tienden a deformar o a romper en sí el suelo, se describe
como dura, frágil, friable, pegajosa, plástica y blanda.
- Densidad relativa: es tomada en la información que al comparar la porosidad de un
suelo dado y las porosidades de ese mismo suelo en su estado más denso y más
suelto posible.
- Cimentación: es la parte de la estructura que permite la transmisión de las cargas
que actúan, hacia el suelo o hacia la roca subyacente.
- Resistencia a la fricción: ésta es la resistencia al deslizamiento a lo largo del fuste
de un pilote en contacto con el suelo.
202
BIBLIOGRAFÍA
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Learning.
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• Control de Calidad y Seguridad en la Industria de la Construcción, ASIA, 2004.
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Caminos de Valencia.
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Hernández. Miranda. Recinos, 1999, Albert Einstein.
• Manual de Fundaciones de las Estructuras según Tipos de Suelos y Condiciones de
Terreno, Aguirre. Gutiérrez. Ramírez. Regalado, 1996, UES.
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• www.construaprende.com
• www.geostru.com
• www.terratest.es
• www.todoarquitectura.com
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• www.piresa.es
• www.swissboring.com
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• www.geovenor.com