CONSTRUCCIÓN DE CIMENTACIONES PROFUNDAS.

Unidad 3:

3.1.- Tipos de pilotes.

Los pilotes son postes que se introducen profundamente en el terreno para transmitir las cargas de la cimentación a los estratos más resistentes. Cuando estos elementos tienen dimensiones grandes en su sección transversal (Mayores que 60 cm) se denominan generalmente pilas.Los pilotes se utilizan cuando el terreno superficial tiene baja capacidad de carga, cuando se tienen requisitos muy estrictos de asentamientos admisibles y cuando se requieren evitar cimentaciones muy voluminosas apoyadas en estratos de suelo poco desfavorables para la construcción, como en obras marítimas o en suelos saturados. Un pilote desarrolla resistencia por apoyo directo en su punta y por fricción en la superficie de contacto con el suelo. (Meli Piralla, Roberto)

3.1.1.- Pilotes de punta.

Son aquellos que se apoyan en un estrato de suelo muy firme, y que por tanto, desarrollan la mayor parte de su resistencia por dicho apoyo directo. (Meli Piralla, Roberto)

3.1.2.- Pilotes de fricción.

Son aquellos que quedan totalmente embebidos en estratos de baja capacidad de carga y por tanto desarrollan la mayor parte de su resistencia por adherencia y por rozamiento entre su superficie y el suelo adyacente. (Meli Piralla, Roberto)

3.1.3.- Pilotes de anclaje.

En ciertas circunstancias, se requiere que los pilotes resistan fuerzas de levantamiento como en el caso de cimentaciones de estructuras sujetas a momentos de volteo considerables; la resistencia se obtiene con la fricción entre el pilote y el suelo circundante; se puede incrementar en el caso de los pilotes perforados ensanchando el fondo de los pilotes, o con la orilla de bubo de un pilote hincado y colado en sitio.Los pilotes hundidos en roca, a pesar de una alta resistencia de cargas, pueden tener una baja resistencia al levantamiento si son hincados a través de materiales blandos o sueltos hasta una penetración pequeña en la roca. En consecuencia, si se introduce un pilote un metro más o menos en roca solida, despedazara a tal grado el material alrededor, que la resistencia al levantamiento será insignificante y debida, casi en su totalidad, a la fricción en el cascajo y en el suelo de sobrecarga.  La resistencia se puede incrementar perforando a gran profundidad un orificio de gran diámetro dentro de la roca y colando concreto o rellenando con lechada el pilote en este orificio o boquilla o, en el caso de pilotes de tubo hueco, de caja, o perforados, perforando un orificio profundo en la roca en la parte inferior del pilote, seguido por la colocación de cables de acero altamente pretensados bajados al orificio perforado.

La resistencia al levantamiento de este tipo de anclaje se obtiene con:

La fuerza de tensión de los cables o varillas de anclaje.La resistencia a la adhesión entre los cables o varillas

de concreto o lechada que los rodea.La resistencia a la adhesión entre el concreto o lechada

y la roca que lo rodea.El peso muerto (o peso sumergido si el anclaje se

encuentra bajo el nivel del agua) de un cono de roca que se debe levantar por el ancla si no ocurre una falla por a, b, c usualmente se considera una forma típica de falla de cono del anclaje en un solo pilote. (Tomlinson, M. J.)

3.1.4.- Pilotes inclinados.

Frecuentemente se requiere que los pilotes de cimentaciones soportan cargas inclinadas, las cuales resultan de la carga muerta de la estructura, y las cargas horizontales producidas por el viento, la presión del agua o la presión del suelo en la estructura. Cuando las componentes horizontal de la carga en los pilotes es pequeña en relación con la carga vertical, puede ser soportada con seguridad mediante pilotes verticales.Sin embargo, en el caso de los pilotes en rompeolas o muelles que soportan las fuerzas de impacto de barcos que atracan, y de cimentaciones con pilotes para muelles de puente, caballetes para grúas móviles, altas chimeneas y muros de contención la componente horizontal es relativamente grande, y no se debe confiar en los pilotes verticales por lo general para soportar las fuerzas horizontales. Los pilotes inclinados tienen una resistencia mucho más alta a las cargas horizontales debido a la gran proporción de componente horizontal con que soporta axialmente el pilote.

Distribuciones típicas de pilotes:

Siempre que sea posible, los pilotes inclinados que soportan cargas de compresión deben estar hundidos hasta un estrato duro indeformable.

3.2.- Descripción de los métodos de construcción.

En la práctica se observan tres factores principales: ubicación y tipo de estructura, condiciones del suelo y durabilidad, que limitan la decisión a no más de uno o dos tipos básicos. La selección final se realiza entonces tomando en cuente el costo global.Los pilotes de concreto pueden dividirse en dos categorías principales, colados en el lugar y precolados. Los colados pueden subdividirse en pilotes con o sin ademe.El concreto de un pilote con ademe se cuela dentro de un molde, que usualmente consiste en un forro de metal o tubo delgado que se deja en el terreno. El forro puede ser tan delgado que su resistencia se desprecia al valuar la capacidad estructural del pilote, pero sin embargo, debe tener la resistencia suficiente para que no sufra colapso bajo la presión del terreno que lo rodea antes de que se llene con concreto.Los forros son muy delgados y los tubos no pueden hincarse sin estar soportados en el interior por un mandril, que en si es una fuente de gastos y, cuando menos a veces ocasiona dificultades de construcción.

El PROCESO FRANKI

Gran energía en el hincadoEl proceso FRANKI se inicia con el hincado del tubo FRANKI, dentro del cual se desliza un pesado pilón que permite el posterior hincado en los distintos tipos de suelos. La elevada potencia de hincado es obtenida por la gran altura de caída del pilón, la cual puede ser variable dependiendo de la resistencia de los suelos a hincar. Suelos de piedra de gran dimensión y otros obstáculos difíciles que a menudo se encuentran en el suelo pueden ser atravesados o apartados fácilmente con este sistema.La base ensanchadaEsta es la parte fundamental del sistema ya que al final del hincado se ensancha la base creando un elemento que por su mayor dimensión aumenta considerablemente la capacidad de carga del pilote obteniendo una misma capacidad de carga con profundidades menores que en otros sistemas. Este crecimiento de la capacidad de carga no resulta simplemente de un aumento de sección de la base sino sobretodo, de una mejora de las propiedades mecánicas del suelo que ha sido fuertemente compactado en torno a la base ensanchada.

Hormigonado en secoEl hormigonado del fuste del pilote se ejecuta sin que el agua o el suelo puedan mezclarse con el hormigón.Su dosificación varía de 300 kg. a 450 kg. de cemento por metro cúbico, pero su compactación por un apilonamiento enérgico, da como resultado un hormigón compacto y homogéneo de elevada resistencia a la compresión. La resistencia del hormigón a 28 días está por encima de los 200 kg/cm2.

ENERGÍA MÍNIMAEs la empleada para introducir los últimos litros de hormigón en la base ensanchada de los pilotes.Para diámetro inferior a 450 mm se necesitan 1.500 kN.m para 90 litros.Para diámetro superior a 450 mm se necesitan 5.000 kN.m para 150 litros.ARMADURASLa armadura longitudinal puede ser bien distribuída a lo largo del fuste para cubrir los diagramas de esfuerzos actuantes, con un mínimo de cuatro barras para controlar el hormigonado del fuste. Puede emplearse cualquier tipo de acero, pero la armadura de la base siempre debe ser ejecutada con acero liso (dulce) AL 220 MPa.HORMIGÓNSegún las condiciones del terreno el hormigón puede tener una relación agua/cemento entre 0,20 a 0,28 como en la base ensanchada y llegar al 0,45 como en los casos de fustes apilonados.

PREPARACIÓN DE LA CABEZA DE UN PILOTEDespués del hormigonado, se debe demoler el exceso de hormigón del fuste del pilote por encima de la cota de nivel de enrasado. Para ello se emplea una punta que golpea con una pequeña inclinación en relación a la horizontal. Los pilotes con diámetro mayor o igual a 450 mm puede emplearse un martillo leve, teniendo cuidado de tomar la inclinación debida.

Formación de un pilote sin ademe tipo FrankieSe deja caer directamente un martinete de gravedad en una masa de concreto en la parte inferior del tubo hincado; el rozamiento entre el concreto y el tubo, hinca el tubo en el terreno. Cuando se ha alcanzado la profundidad necesaria, se levanta ligeramente el tubo de hincado y se sostiene para que penetre mas al alimentar concreto, en tanto que el martillo sigue golpeando para que el concreto penetre en el suelo y forme un pedestal. Luego se saca el tubo progresivamente mientras se inyectan cantidades adicionales de concreto, compactándolo para ir formando el fuste del pilote, que presenta una superficie exterior áspera donde queda en contacto con el suelo.

Formación de un pilote con ademeSe forma de la misma manera hasta que se crea el pedestal. Luego se inserta un forro de acero corrugado en el tubo de hincar, se coloca un tapón de concreto en el fondo del forro, sobre el pedestal aun sin fraguar, y se inca para que arrastre el forro dentro de la parte superior del pedestal aun sin fraguar. Se saca el tubo para hincar y el resto del forro se llena de concreto. (Peck, Hanson, Thornburn)

3.3.- Calidad del acero de refuerzo y su colocación.

a. La cantidad de acero longitudinal debe ser proporcional a los esfuerzos que surgen durante el levantamiento y el manejo.

b. La cantidad de refuerzo transversal, cuando se espera un hundimiento difícil, no debe ser menor al 0.4 % del volumen bruto del concreto.

c. La proporción de acero de unión en la cabeza del pilote debe ser del 1.0 %.

El refuerzo lateral es de particular importancia en los esfuerzos de resistencia al hundimiento y se debe hacer en la forma de cinchos o estribos de un diámetro no menor a 6 mm (1/4”). Para una distancia cercana a tres veces el ancho desde cada extremo del pilote, el volumen de refuerzo lateral no debe ser menor al 0.6 % del volumen bruto. En el cuerpo del pilote, el refuerzo lateral no debe ser menor al 0.2 %, espaciado a no más de la mitad del ancho del pilote. La transición entre el espaciamiento cerrado cerca de los extremos y el espaciamiento máximo se debe realizar gradualmente sobre una longitud igual a tres veces el año.

La cubierta de todo refuerzo, incluyendo el cable de sujeción, no debe ser menor de 40 mm (1 ½”) de concreto, pero cuando los pilotes están expuestos al agua de mar o a otras influencias corrosivas, la cubierta no debe ser menor de 50 mm (2”). Los cinchos y estribos deben estar fuertemente sujetos contra las barras longitudinales, y estar unidas a ellas con soldadura o con cable de acero flexible. (Peck, Hanson, Thornburn)

Literatura citada

1.Tomlinson, M. J.; Cimentaciones Diseño y Construcción.

Trilla, 1996. 1ra Ed., Pág. 5552.Peck, Hanson, Thornburn; Ingeniería De Cimentaciones.

Limusa, 1993. Sexta reimpresión. Pág.. 5573.Meli Piralla, Roberto; Diseño estructural

Limusa, 2 Ed. Pág.. 596