CIMENTACIONES SOBRE SUELOS DIFÍCILES.

INTRODUCCIÓN 
En muchas áreas de Estados Unidos y otras partes del mundo, ciertos suelos hacen la construcción de cimentaciones extremadamente difícil. Por ejemplo, los suelos expansivos o colapsables llegan a causar grandes movimientos diferenciales en las estructuras debido a un excesivo levantamiento o asentamiento.

Problemas similares también surgen cuando las cimentaciones se construyen sobre rellenos sanitarios. Los ingenieros de cimentaciones deben ser capaces de identificar los suelos difíciles encontrados en el campo.

Aunque no todos los problemas causados por todos los suelos pueden resolverse, medidas preventivas deben tomarse para reducir la posibilidad de daños a estructuras construidas sobre ellos. Este capítulo subraya las propiedades fundamentales de tres condiciones de suelos: los suelos colapsables, los suelos expansivos y los rellenos sanitanos, así como los métodos de una cuidadosa construcción de cimentaciones.


PILAS - ESPESOR DEL SELLO DE CONCRETO EN CAJONES ABIERTOS .

Ateriormente mencionamos que, antes de achicar el cajón, se coloca un sello de concreto en el fondo del mismo (figura 10.33) y se deja algo de tiempo para el curado. El sello de concreto debe ser suficientemente grueso para resistir una fuerza hidrostática hacia arriba desde su fondo después de que el achique se concluya y antes de que el concreto llene el cajón. Con base en la teoría de la elasticidad, el espesort, de acuerdo con Teng (1962), es


Cálculo del espesor del sello par un cajón abierto.
FIGURA 10.33 Cálculo del espesor del sello par un cajón abierto.
 y



De acuero con la figura 10.33, el valor de q en las Ecs. (10.48) y (10.49) se aproxima como




donde γc= peso específico del concreto

El espesor del sello calculado con las ecuaciones (10.48) y (10.49) será suficiente para protegerlo contra el agrietamiento inmediatamente despueés del achique. Sin embargo, otras dos condiciones deben también revisarse por seguridad.

1. Revisión del cortante perimetral en la cara de contacto del sello y el cajón.

De acuero con la figura 10.33, la fuerza neta hidrostática hacia arriba en el fondo del sello es AiHγw - Aitγc( donde Ai =  π(Ri)^2 para cajones circulares y Ai = LiBi para cajones rectangulares). El cortante perimetral desarrollado es entonces


2 Revisión por flotación

Si el cajón está completamente achicado, la fuerza de flotación hacia arriba, Fu. es


Si Fd > Fu, el cajón está seguro por flotación. Sin embargo, si Fd < Fu, achicar por completo el cajón será inseguro. Por esta razón, el espesor del sello debe incrementarse en  Δt [más allá del espesor calculado al usa la Ec. (10.48) o (10.49)] o




TIPOS DE CAJONES - PILAS.

Los cajones se dividen en tres tipos principales: (1) cajones abiertos, (2) cajones cerrados y (3) cajones neumáticos.

Los cajones abiertos (figura 10.30) son pilas de concreto que permanecen abiertas en sus partes superior e inferior durante la construcción. El fondo del cajón tiene un borde cortante. El cajón se entierra en su lugar y el suelo del interior se retira por medio de cucharones de almeja hasta alcanzar el estrato de apoyo. Los cajones pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares u ovalados. Una vez alcanzado el estrato de apoyo, se vierte concreto en el cajón (bajo agua) para formar un sello en su fondo. Cuando fragua el concreto del sello, el agua dentro del cajón se bombea hacia afuera. Se vierte entonces concreto en el cajón para llenarlo.

Cajón abierto.
FIGURA 10.30 Cajón abierto.

Los cajones abiertos pueden extenderse a grandes profundidades y el costo de construcción es relativamente bajo, sin embargo, una de sus principales desventajas es la falta de control de calidad sobre el concreto vertido para formar el sello. Además, el fondo del cajón no llega a ser limpiado completamente. Un método alternativo de construcción de cajones abiertos es hincar varias tablaestacas para formar una zona encerrada que se llena con arena a la que se llama generalmente isla de arena. El cajón se entierra entonces a través de la arena hasta el estrato deseado de apoyo, procedimiento algo parecido al hincado de un cajón cuando la superficie del terreno está arriba del nivel freático.

Los cajones cerrados (figura 10.3 1) son estructuras con fondo cerrado y se construyen en tierra y luego se transportan al sitio de la construcción. Se entierran gradualmente en el sitio llenando su interior con arena, balasto, agua o concreto. El costo de este tipo de construcción es bajo. La superficie de apoyo debe estar a nivel, y si no lo está, debe nivelarse por excavación.

Cajón cerrado.
FIGURA 10.31 Cajón cerrado.

Los cajones neumáticos (figura 10.32) se usan generalmente para profundidades de entre 50 y 130 pies (15—40 m). Este tipo se requiere cuando una excavación no logra mantenerse abierta porque el suelo fluye al área excavada más rápidamente de lo que puede ser removido. Un cajón neumático tiene una cámara de trabajo en el fondo que tiene por lo menos 10 pies ( 3m) de altura. En esta cámara, los trabajadores excavan el suelo y cuelan el concreto. La presión de aire en la cámara se mantiene suficientemente alta para impedir que el agua y el suelo penetren en ella. Los trabajadores usualmente no tienen molestias severas cuando la presión en la cámara se eleva a 15 Ib/puig2 ( 100 kN/m2) por encima de la presión atmosférica.

Cajón neumático.
FIGURA 10.32 Cajón neumático.

Más arriba de esta presión se requieren periodos de descompresión cuando los trabajadores salen de la cámara. Cuando se requieren presiones en la cámara de aproximadamente 44 lb/puIg2 ( 300 kN/m2) por arriba de la presión atmosférica, los trabajadores no deben permanecer dentro de la cámara por más de 1 a 2 horas por periodo de trabajo. Los trabajadores entran y salen de la cámara por medio de una escalera dentro de un tubo de acero. Éste también se usa para retirar el suelo excavado y para la colocación del concreto. En grandes construcciones, más de un tubo es necesario; se proporciona una antecámara de compresión en cada uno de ellos. Los cajones neumáticos se entierran gradualmente conforme avanza la excavación. Cuando se alcanza el estrato de apoyo, la cámara de trabajo se llena con concreto. El cálculo de la capacidad de carga de los cajones es similar al de las pilas perforadas.

PILAS: OTRAS CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y LA MEZCLA DE CONCRETO.

Para el diseño de pilas perforadas ordinarias sin ademado, es deseable siempre una cantidad mínima de refuerzo vertical de acero. El refuerzo mínimo es 1% del área total de la sección transversal de la pila. En California, se usa una jaula de refuerzo con longitud de aproximadamente 12 pies (3.65 m) en la parte superior del pilote y no se proporciona ningún refuerzo en el fondo Este procedimiento ayuda en el proceso de construcción porque la jaula se coloca después de que se completó la mayor parte del colado del concreto.

Para pilas perforadas con refuerzo nominal, la mayoría de los reglamentos de construcción sugieren usar una resistencia de diseño para el concreto fc del orden de f'c/4. Para el diámetro mínimo de la pila se tiene entonces


Dependiendo de las condiciones de carga, el porcentaje de refuerzo es a veces muy alto. En ese caso, se considera el uso de una sola sección laminada de acero en el centro de la pila (figura 1O.5b). En ese caso,



Cuando se usa un ademado permanente de acero para la construcción en vez de una sección laminada central de acero (figura 10.5a), se usa la ecuación (10.2). Sin embargo,fs para el acero debe ser del orden de 0.4fs.

Si las pilas perforadas van a ser sometidas a cargas de tensión, el refuerzo debe estar presente sobre toda la longitud de la pila.


Diseño de la mezcla de concreto
El diseño de mezclas de concreto para pilas perforadas no es muy diferente al usado para otras estructuras de concreto. Cuando se usa una parrilla de refuerzo, debe tomarse en cuenta que el concreto fluya a través del refuerzo. En la mayoría de los casos, un revenimiento del concreto de aproximadamente 6 pulgs (150 mm) se considera satisfactorio. El tamaño máximo de los agregados debe limitarse a aproximadamente 0.75 pulg (20 mm).

Resultados de pruebas de carga en una pila perforada en Houton, Texas: (a) perfil del suelo (b) curvas carga-desplazamiento. (c) curvas de distribución de la carga en varias etapas de la carga.
FIGURA 10.6 Resultados de pruebas de carga en una pila perforada en Houton, Texas: (a) perfil del suelo (b) curvas carga-desplazamiento. (c) curvas de distribución de la carga en varias etapas de la carga.

PILAS PERFORADAS PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN.

Uno de los métodos más viejos de construcción de pilas perforadas es el método Chicago (figura 10.2a). Para éste, se excavan manualmente agujeros circulares con diámetros de 3.5 pies (1.1 m) o mayores a profundidades de 2-6 pies (0.6-1.8 m). Los lados del agujero excavado se forran entonces con tablones verticales, mantenidos firmemente en su posición por dos anillos circulares de acero. Después de colocar los anillos, la excavación se continúa por otros 2-6 pies (0.6-1.8 m). Cuando se alcanza la profundidad deseada, se procede a excavar la campana. Cuando se termina la excavación, el agujero se rellena con concreto.

 Método Chicago para la construcción de pilas perforadas; (b) método de Gow para la construcción de pilas perforadas.
 FIGURA 10.2 (a) Método Chicago para la construcción de pilas perforadas; (b) método de Gow para la construcción de pilas perforadas.

En el método Gow de construcción (figura 10.2b), el agujero se excava a mano. Forros metálicos telescópicos se usan para mantener el barreno. Los forros son retirados uno a la vez conforme avanza el colado. El diámetro mínimo de una pila perforada Gow es de aproximadamente 4 pies (1.22 m). Cualquier sección del forro es aproximadamente 2 pulgs (50 mm) menor en diámetro que la sección inmediatamente arriba de ella. Pilas de hasta 100 pies (30 m) se logran con este método.

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

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

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

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

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



Diagrama esquemático de un barril de granalla.
FIGURA 10.4 Diagrama esquemático de un barril de granalla.

TIPOS DE PILAS PERFORADAS.

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



Tipos de pilas perforadas:(a) pila recta; (b) y (c) pila acampanada; (d) pila recvta empotrada en roca.
FIGURA 10.1 Tipos de pilas perforadas:(a) pila recta; (b) y (c) pila acampanada; (d) pila recvta empotrada en roca.

Una pila acampanada (figura 10.lb y c) consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre un suelo resistente. La campana se construye con forma de domo (figura 10.lc) o de escarpio. Para campanas de escarpio, las herramientas o cortadores comercialmente disponibles forman ángulos de 30° a 450 con la vertical. Para la mayoría de las pilas perforadas construidas en Estados Unidos, la capacidad total de carga se asigna solamente a la carga en la punta, sin embargo, bajo ciertas circunstancias también se considera la resistencia por fricción. En Europa siempre se consideran ambas contribuciones.

Los pilotes rectos también se extienden hasta un estrato de roca (figura 10.ld). En el cálculo de la capacidad de carga de tales pilas, el esfuerzo cortante y el de carga desarrollados a lo largo del perímetro de la pila y en la interfaz con la roca deben tomarse en consideración.
Disposición de armaduras en vigas.
Figura 9.4  Disposición de armaduras en vigas.

CIMENTACIONES CON PILAS PERFORADAS Y CIMENTACIONES CON CAJONES.

INTRODUCCIÓN
Los términos cajón, pila, pilote perforado ypila perforada se usan a menudo en forma general en la ingeniería de cimentaciones; todos se refieren a pilotes colados in situ con di4metro de aproximadamente 2.5 pies ( 750 mm) o mayor, con o sin refuerzo de acero y con o sin fondo ampliado. A veces el diámetro es tan pequeño como 1 pie ( 305 mm).

Para evitar confusiones, usamos el término pila perforada para un agujero barrenado o excavado hasta el fondo de la cimentación de una estructura que luego se rellena con concreto. Dependiendo de las condiciones del suelo se usan revestimientos o entabladuras (tablones o ademes) para prevenir que el suelo alrededor del agujero se desplome durante la construcción. El diámetro de la pila debe ser suficientemente grande para que una persona pueda entrar a inspeccionar.

El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene varias ventajas:

1. Se usa una sola pila perforada en vez de un grupo de pilotes con capuchón.
2. La construcción de pilas perforadas en depósitos de arena densa y grava es más fácil que hincar pilotes.
3. Las pilas perforadas se construyen antes de terminar las operaciones de nivelación.
4. Cuando los pilotes son hincados a golpe de martillo, la vibración del terreno ocasiona daños a estructuras cercanas, problema que se evita con el uso de pilas perforadas.
5. los pilotes hincados en suelos arcillosos producen levantamiento del terreno y ocasionan que pilotes ya antes hincados se muevan lateralmente, lo que no ocurre durante la construcción de pilas perforadas.
6. No se tiene ruido de martilleo durante la construcción de pilas perforadas, tal como pasa con el hincado de pilotes.
7. Como la base de una pila perforada se amplia, ésta proporciona una gran resistencia a cargas de levantamiento.
8. La superficie sobre la cual la base de la pila perforada se construye debe inspeccionarse visualmente.
9. La construcción de pilas perforadas utiliza generalmente equipo móvil, que, bajo condiciones apropiadas del suelo, resulta más económico que los métodos usados para la construcción de cimentaciones de pilotes.
10. Las pilas perforadas tienen alta resistencia a cargas laterales.

Existen también varias desventajas en el uso de pilas perforadas. La operación de colado puede demorarse por mal tiempo y siempre requiere de una cuidadosa supervisión. Además, como en el caso de cortes apuntalados, las excavaciones profundas para pilas perforadas inducen pérdidas considerables de terreno y ocasionan daños a las estructuras cercanas.

El ténnino cajón se refiere a un elemento de la subestructura usado en sitios húmedosde construcción, tales como ríos, lagos y muelles. Para la construcción de cajones, una pila hueca o cajón se hinca en posición hasta que descansa en suelo firme. A la parte inferior de la pila o cajón se le adapta un borde cortante para ayudarlo a penetrar los estratos de suelo blando debajo del nivel freático y llegue a descansar sobre un estrato resistente a cargas. El material dentro del cajón se extrae por las aberturas de la parte superior y luego se vierte el concreto en su interior. Los estribos de puentes, los muros de muelles y las estructuras para protección de costas deben construirse sobre cajones.

FÓRMULAS PARA EL HINCADO DE PILOTES.

Para desarrollar la capacidad de carga deseada, un pilote de punta debe penetrar suficientemente el estrato denso de suelo o tener contacto suficiente con un estrato de roca. Este requisito no es siempre satisfecho hincando un pilote a una profundidad predeterminada debido a la variación de los perfiles del suelo, por lo que se han desarrollado varias ecuaciones para calcular la capacidad última de un pilote durante la operación. Las ecuaciones dinámicas son ampliamente usadas en el campo para determinar si el pilote ha alcanzado un valor satisfactorio de carga a la profundidad predeterminada. Una de las primeras de esas ecuaciones dinámicas, comúnmente llamada lafórinula del Engineering News Record (ENR), se deriva de la teoría del trabajo y la energía. Es decir,

Energía impartida por el martillo por golpe =  (resistencia del pilote) (penetración por golpe de martillo)

De acuerdo con la fórmula ENR, la resistencia del pilote es la carga última Q, expresada como





La penetración, S, del pilote se basa usualmente en el valor promedio obtenido de los últimos golpes del martillo. En la forma original de la ecuación se recomendaron los siguientes valores de C.

Para martillos de caída libre: C =1 puig (si las unidades de S y h están en pulgadas) Para martillos de vapor: C = 0.1 puig (si las unidades de S y h están en pulgadas)

Se recomendó también un factor de seguridad, FS, = 6, para estimar la capacidad admisible del pilote. Note que para martillos de acción simple y doble, el término WRh es reemplazado por EHE (donde E = eficiencia del martillo y HE = energía nominal del martillo). Entonces



La fórmula ENE ha sido revisada a lo largo de los años y también se han sugerido otras fórmulas de hincado de pilotes. Algunas están tabuladas en la tabla 9.11.

El esfuerzo máximo desarrollado en un pilote durant.e la operación de hincado se estima con las fórmulas presentadas en la tabla 9.11. Como ilustración, usamos la fórmula ENR modificada:


En esta ecuación, S es igual a la penetración promedio por golpe de martillo, que también se expresa como





TABLA 9.11 Fórmulas para el hincado de pilotes







Diferentes valores de N se suponen para un martillo y pilote dados y luego pueden calcularse Qu. El esfuerzo de hincado entonces se calcula para cada valor de N y Qu/Ap. Este procedimiento se muestra con un conjunto de valores numéricos. Suponga que un pilote de concreto presforzado de 80 pies de longitud tiene que ser hincado por un martillo 11B3 (MKT). Los lados del pilote miden 10 pulgadas. De la tabla D.3a (apéndice D) para este pilote


ahora puede prepararse la siguiente tabla





Tanto el número de golpes de martilo por pulgada como el esfuerzo ahora se grafican como muestra la figura 9.47. Si una tal curva se prepara, se determinará fácilmente el número de golpes por pulgada de penetración del pijote correspondiente al esfuerzo admisible de hincado del mismo.

Los esfuerzos reales de hincado en pilotes de madera están limitados aproximadamente a O.7fu. Similarmente, para los de concreto y de acero, los esfuerzos de hincado están limitados a aproximadamente O.6f’c y O.85fy, respectivamente.

En la mayoría de los casos, los pilotes de madera se hincan con una energía del martillo de menos de 45 klb-pies ( 60 kN.m). Las resistencias de hincado están limitadas principalmente a 4-5 golpes por pulgada de penetración del pilote. Para los de concretoy de acero, los valores usuales de N son 6 —8 y 12—14, respectivamente.






FIGURA 9.7
 

TABLA D.3 Pilotes de concreto presforzado típicos.

PILOTES CARGADOS LATERALMENTE.

Un pilote vertical resiste cargas laterales movilizando la presión pasiva en el suelo que lo rodea (figura 9.1c). El grado de distribución de la reacción del suelo depende de (a) la rigidez del pilote, (b) la rigidez del suelo y (c) la restricción en los extremos del pilote. En general, los pilotes cargados lateralmente se clasifican en dos tipos principales: (1) pilotes cortos o rígidos y (2) pilotes largos o elásticos. Las figuras 9.37a y 9.37b muestran la variación de la deflexión del pilote y la distribución del momento y fuerza cortante a lo largo de la longitud del pilote sometido a carga lateral. Se da a continuación un resumen de las soluciones disponibles actualmente para pilotes cargados lateralmente.

 FIGURA 9.37 Variación de la deflexión, momento y fuerza cortante en pilotes (a) rígidos y (b) elásticos.