Resistencia por Extracción de Pilotes.

La resistencia última de pilotes sometidos a tal fuerza no recibieron mucha atención por parte de los investigadores sino hasta hace pocos años. La resistencia última total de un pilote sometido a una fuerza de levantamiento (figura 9.35) es





FIGURA 9.35 Capacidad de levantamiento de pilotes.


Pilotes en arcilla.
La capacidad neta última por levantamiento de pilotes hincados en arcillas saturadas fue estudiado por Das y Seely. De acuero con ese estudio,



Pilotes en arena
Cuando los pilotes están hincados en suelos granulares (c = O), la capacidad neta última por levantamiento (Das y Seely, 1975) es


La fricción unitaria superflcial, fu, durante el levantamiento varía usualmente como muestra la figura 9.36a y crece linealmente hasta una profundidad z = Lcr más allá de este valor permanece constante. Para z   <= Lcr,




La variación del coeficiente de levantamiento con el ángulo Ф de fricción del suelo se da en la figura 9.36b. Con base en la experiencia del autor, los valores de Lcr. y δ parecen depender de la compacidad relativa del suelo. La figura 9.36c muestra la naturaleza aproximada de esas variaciones con la compacidad relativa del suelo. Para calcular la capacidad neta última de levantamiento de pilotes, se sugiere el siguiente procedimiento:







FIGURA 9.6 (a) Varicación de ful (b) coeficiente de levantamiento Kui (c) variación de δ/ф y (L/D)cr con la compacidad relativa de la arena

Para suelos secos, la ecuación (9.79) se simplifica a 


Determine los valores de Ku y de la figura 9.36b y 9.36c

Para estimar la capacidad admisible neta de levantamiento, se recomienda usar un factor de seguridad de entre 2 y 3. Entonces


donde Tu(adm) = capacidad admisible de levantamiento.

Asentamiento de Pilotes.

El asentamiento de un pilote bajo una carga de trabajo vertical, Qw, es causado por tres factores:




Si el material del pilote se supone elástico, la deformación del fuste se evalúa usando los principios fundamentales de la mécanica de materiales:


La magnitud de E dependerá de la distribución de la resistencia por fricción (superficial) unitaria a lo largo del fuste. Si la distribución de f es uniforme o parabólica, como muestran las figuras 9.34a y 9.34 b, E = 0.5. Sin embargo, para una distribución triangular de f (figura 9.34c), la magnitud de E es aproximadamente de 0.67.


 FIGURA 9.34 Varios tipos de distribución de la resistencia por fricción (superficial) unitaria a lo largo del fuste del pilote.

El asentamiento de un pilote causado por la carga en la punta se expresa en forma similar a la de cimentaciones superficiales. [Ec. (4.33)]







Vesic también propuso un método semiempírico para obtener la magnitud del asentamiento, s2:




Valores representativos de Cp para varios suelos se dan en la tabla 9.7.

El asentamiento de un pilote causado por la carga llevada por el fuste se da por una relación similar a la Ec. (9.63), o







Tabla 9.7 Valores típicos de Cp [Ec. (9.64)]


Note que el término Wws/pL en la ecuación (9.65) es el valor promedio de f a lo largo del fuste del pilote. El factor de influencia, Iws tiene una relación empírica simple.


Vesic también propuso una relación empírica simple similar a la ecuación (9.64) para obtener s3:

Los valores de Cp por usarse en la ecuacion )9.67) seobtinen en la tabla 9.7.

Sharma y Joshi usaron las ecuciones (9.61),(9.62) ,(9.64) y (9.67) para estimar el asentamiento de dos tipos de piltes de concreto en arena, como se mostro en la figura 9.31 y la compararon con los valores observados en campo. Para esos cálculos, usaron E=0.5 y 0.67 Cp =0.02 y Cs=0.02. La tabla 9.8 muestra la comparación de los valores s. Note el buen acuerdo entre los valores estimados y obserbados del asentamiento.

TABLA 9.8 Comparación de valores observados y estimados del asentamiento de dos pilotes de concreto ( figura 9.31)


PILOTES - COMPARACIÓN DE LA TEORÍA CON LOS RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE CARGA EN CAMPO.

Detalles de muchos estudios de campo relativos a la estimación de la capacidad de carga última de varios tipos de pilotes se encuentran disponibles en la literatura técnica. En algunos casos, los resultados concuerdan en general con las predicciones teóricas y en otros varían considerablemente. Las diferencias entre la teoría y los resultados de pruebas de campo se atribuyen a factores tales corno una interpretación impropia de las propiedades del subsuelo, hipótesis incorrectas, adquisición errónea de resultados de pruebas de campo y otras más.

Vimos en el anteriormente que, para propiedades similares del suelo, la carga última de punta (Qp) varía más del 400% dependiendo de qué teoría y qué ecuación se usa. También, del cálculo de la parte a del ejemplo 9.1, se ve que, en la mayoría de los casos, para pilotes largos hincados en arena la resistencia limite de punta (qt) [ecuaciones (9.15) o (9.16)] gobierna a la resistencia unitaria de punta (qp). Meyerhof (1976) proporcionó los resultados de varias pruebas de carga en campo sobre pilotes largos (L/D  >=  10), de los cuales los valores derivados de qp se calculan y grafican en la figura 9.28. También se muestra en esta figura la váriación de qt calculada con la ecuación (9.16).). Puede verse que, para un ánguloФ de fricción dado, la magnitud de qp difiere considerablemente de ¡a dacia por la teoría.

Briaud y otros (1989) reportaron los resultados de 28 pruebas de carga axial sobre pilotes H hincados por impacto y pilotes de tubo en arena, efectuadas por el U.S. Army Engineering District (St. Louis) durante la construcción del New Lock and Dam No. 26 sobre el río Mississippi. Variaciones típicas de los números de penetración estándar (no corregidos) en campo con la profundidad se muestran en la figura 9.29.

Los resultados de las pruebas de carga sobre cuatro pilotes H obtenidos en este programa se dan en la figura 9.30. Detalles de los pilotes H y los resultados de las prue bas de carga para esos cuatro pilotes se resumen en la tabla 9.5. Briaud y otros (1989) hicieron un análisis estadístico sobre la relación de la carga última teórica respecto a la carga última medida. Los resultados se resumen en la tabla 9.6 para el caso taponado (figura 9.11c). Note que una predicción perfecta tendría una media = 1.0, una desviación estándar = O y un coeficiente de variación = O. La tabla 9.6 ilustra que ningún método dio una predicción perfecta; en general, Qp fue sobreestimada y Qs fue subestimada, lo que muestra de nuevo la incertidumbre en la predicción de las capacidades de carga de los pilotes.

FIGURA 9.28 Resistencia última de punta de pilotes hincados en arena


FIGURA 9.29 Resultados de la prueba de pentración estándar

FIGURA 9.30 Resultados de prueba de carga en pilotes H en arena


TABLA 9.5 Resultados de pruebas de carga en pilotes


 Sharma y Joshi (1988) reportaron los resultados de pruebas de carga en campo sobre dos pilotes de concreto colados in situ en un depósito de suelo granular en Alberta, Canadá. La longitud de esos pilotes (TP-1 y TP-2) fue aproximadamente de 12.3 m. La figura 9.31 muestra las condiciones generales del suelo, las dimensiones de los pilotes y las curvas carga-asentamiento. El mecanismo de transferencia de carga para los dos pilotes de prueba se muestra en la figura 9.32. La fricción superficial promedio, fprom, se calculé como





Las variaciones de fprom con la carga, Q, para los dos pilotes está graficada en la figura 9.33. Note que para el pilote de prueba TP-1, el valor máximo de fprom es de aproximadamente 85 kN/m2 bajo una carga de cerca de 4000 kN. En la figuraa 9.31a, corresponde a un desplazamiento relativo de aproximadamente 7 mm entre el suelo y el pilote. El resultado confirma que la resistencia por fricción entre el pilote y el fuste está totalmente movilizada en cerca de 5-10 mm de movimiento de la cabeza del pilote.


TABLA 9.6 Resumen de análisis estadísticos de Briaud y otros de pilotes H; caso taponado







FIGURA 9.31 Condición general del suelo, dimensiones del pilote y curas carga-asentamiento



FIGURA 9.32 Mecanismo de transferencia de carga para dos pilotes de prueba





FIGURA 9.33 Variación de fprom con la carga Q


Para el pilote de prueba TP-1 la longitud del fuste ( sin incluir la campana) es aproximadamente de 11m. Por tanto, los siguientes cálculos se efectúan para determinar fprom.



El valor de fprom es proximadamente de 85 KN/m^2, por lo que de la Ec (9.60),


Esta magnitud es algo mayor que la dada por las ecuacione (9.38) y (9.40).

Las lecciones de los casos de estudio anteriores y otros disponibles en la literatura técnica muestran que la experiencia y un buen juicio práctico son requeridos junto con un conocimiento de los avances teóricos relativos al diseño seguro de cimentaciones con pilotes.

PRUEBAS DE CARGA EN PILOTES.

En la mayoría de los grandes proyectos, un número específico de pruebas de carga debe llevarse a cabo sobre pilotes. La razón principal es la falta de confiabilidad en los métodos de predicción. La capacidad de carga vertical y lateral de un pilote deben probarse en el campo. La figura 9.24a muestra un diagrama esquemático del arreglo de un ensaye de carga en pilotes para probar la compresión axial en el campo. La carga se aplica al pilote por medio de un gato hidráulico. Cargas por etapas se aplican al pilote y se permite que pase suficiente tiempo después de cada aplicación de manera que ocurra una pequeña cantidad de asentamiento. El asentamiento de los pilotes se mide por medio de deformímetros. La cantidad de carga por aplicar en cada etapa variará, dependiendo de los reglamentos locales de construcción. La mayoría de los reglamentos requieren que cada etapa de carga sea aproximadamente igual a un cuarto de la carga de trabajo propuesta. La prueba debe efectuarse por lo menos a una carga total de dos veces la carga de trabajo propuesta. Después de alcanzarse la carga deseada en el pilote, éste es descargado gradualmente.

La figura 9.24b muestra un diagrama carga-asentamiento obtenido de una carga y descarga de campo.

Para cualquier carga, Q, el asentamiento neto del pilote se calcula como sigue: Cuando Q = Q1




Esos valores de Q se indican en una gráfica contra el asentamiento neto correspondiente sneto, como muestra la figura 9.24c. La carga última del pilote se determina con esta gráfica. El asentamiento del pilote crece con la carga hasta cierto punto, más allá del cual la curva carga-asentamiento se vuelve vertical. La carga correspondiente al punto en que la curva Q versus sneto se vuelve vertical es la carga última, Q, del pilote; ésta se muestra por la curva 1 en la figura 9.24c. En muchos casos, la última etapa de la curva carga-asentamiento es casi lineal, mostrando un grado amplio de asentamiento para un pequeño incremento de carga; como se muestra por la curva 2 en la figura 9.24c. La carga última, para tal caso se determina del punto de la curva Q versu sneto donde empieza esta porción lineal empinada.

El procedimiento de prueba de carga antes descrito requiere la aplicación de cargas por etapas sobre los pilotes así como la medición del asentamiento y se llama ensayo de carga controlada. Otra técnica usada para una prueba de carga en pilotes es la de tasa de penetración a velocidad constante. En ésta, la carga sobre el pilote es continuamente incrementada para mantener una velocidad constante de penetración, que varía de 0.01 a 0.1 puIg/mm (0.25 a 2.5 mm/mm). Esta prueba da una gráfica carga-asentamiento similar a la obtenida con la de carga controlada. Otro tipo de prueba es la carga cíclica, en la que una carga incremental es repetidamente aplicada y retirada.

Las pruebas de carga sobre pilotes empotrados en arena se conducen inmediatamente después que se hincan los pilotes. Sin embargo, cuando están empotrados en arcilla, debe tenerse cuidado al decidir el lapso de tiempo entre el hincado y el principio de la prueba de carga. Cuando los pilotes se hincan en arcilla blanda, una cierta zona alrededor de la arcilla se remoldea y/o se comprime, como muestra la figura 9.25, lo que conduce a una reducción de la resistencia cortante, c no drenada (figura 9.26). Con el tiempo, la pérdida de la resistencia cortante no drenada es parcial o totalmente recuperada. Este lapso varía de entre 30 a 60 días. La figura 9.27 muestra la magnitud de la variación de Qs con el tiempo para un pilote hincado en arcilla blanda basada en los resultados reportados por Terzaghi y Peck (1967). Es notorio en esta figura que Qs se incrementa aproximadamente 300% en un lapso de tiempo de cerca de 25 días.

FIGURA 9.24  (a) Diagrama esquemático del arreglo de una prueba de carga de un pilote;
 (b) gráfica de carga contra asentamiento total; (c) gráfica de carga contra asentamiento neto


FIGURA 9.25 Zona remoldeada y/o compactada alrededor de un pilote hincado en arcilla blanda.


FIGURA 9.26  Variación de la resistencia cortante (cu) no drenada con el tiempo alrededor de un pilote hincado en arcilla blanda.


FIGURA 9.27  Variación de Qs con el tiempo para un pilote hincado en arcilla blanda

CARGA POR PUNTA DE PILOTES SOBRE ROCA.

En algunas ocasiones los pilotes se hincan hasta un estrato subyacente de roca. En tales casos, el ingeniero debe evaluar la capacidad de carga de la roca. La resistencia unitaria última de punta en roca (Goodman, 1980) es aproximadamente


La resistencia a compresión no confinada de la roca se determina por medio de pruebas en laboratorio sobre especímenes de roca obtenidos durante investigaciones de campo. Sin embargo, debe procederse con extremo cuidado al obtener el valor apropiado de qu porque los especímenes de laboratorio son usualmente pequeños en diámetro. Conforme el diámetro del espécimen crece, la resistencia a compresión no confinada decrece, lo que se denomina efecto de escala. Para especímenes mayores que 3 pies (1 m) de diámetro, el valor de qu permanece aproximadamente constante. Parece haber una reducción de cuatro a cinco veces la magnitud de qu en este proceso. El efecto de escala en rocas es principalmente causado por fracturas pequeñas y grandes distribuidas aleatoriamente y también por rupturas progresivas a lo largo de planos de deslizamiento. Por consiguiente, siempre recomendamos que




La tabla 9.3 da valores (de laboratorio) representativos de resistencia a compresión no confinada de rocas. Valores representativos del ángulo, ø de fricción de rocas se dan en la tabla 9.4.

Un factor de seguridad de por lo menos 3 debe usarse para determinar la capacidad de carga admisible de punta en pilotes. Entonces


TABLA 9.3 Resistencia típica a compresión no confinada de rocas.


TABLA 9.4 Valores típicos del ángulo de fricción ø de rocas.

COMENTARIOS GENERALES Y CAPACIDAD ADMISIBLE DE UN PILOTE.

Un ingeniero tiene que tener en mente los siguientes hechos:

1. Al calcular el área de lá sección transversal,Ap, y el perímetro,p, de pilotes con perfiles tales como los pilotes H y los pilotes de tubo de extremo abierto, el efecto del tapón de suelo debe ser considerado. De acuerdo con la figura 9.11b y 9.11c, para pilotes de tubo



2. Las relaciones de carga de punta última dadas en las ecuaciones (9.11), (9.20) y (9.30) son las cargas de punta última total; es decir, incluyen el peso del pilote. Por tanto, la carga de punta neta última es aproximadamente


Después que se determinó la capacidad de carga última de un pilote sumando la capacidad de punta y la resistencia por fricción (o superficial), debe usarse un factor de seguridad razonable para obtener la carga total admisible para cada pilote, o


El factor de seguridad generalmente usado varía entre 2.5 y 4, dependiendo de las incertidumbres del cálculo de la carga última.

PILOTES - MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA.

El mecanismo de transferencia de carga de un pilote al suelo es complicado. Para entenderlo, considere uno de longitud L, como muestra la figura 9.8a. La carga sobre el pilote es gradualmente incrementada de cero a Q(z =0) en la superficie del terreno. Parte de esta carga será resistida por la fricción lateral, Q1, desarrollada a lo largo del fuste y parte por el suelo debajo de la punta del pilote, Q2. ¿Cómo están relacionadas Q1 y Q2 con la carga total? Si se efectúan mediciones para obtener la carga Q tomada por el fuste del pilote a cualquier profundidad z, la naturaleza de la variación será como lo muestra la curva 1 de la figura 9.8b. La resistencia por fricción por área unitaria, f(z), a cualquier profundidad se determina como




La figura 9.8c muestra la variación de f(z) con la profundidad.

Si la carga Q en la superficie del terreno es gradualmente incrementada, la resistencia máxima por fricción a lo largo del fuste del pilote será totalmente movilizada cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea aproximadamente de  0.2-0.3 pulgs (5-10 mm), independientemente del tamaño y de su longitud L. Sin embargo, la resistencia máxima de punta Q2 = Qp no será movilizada hasta que la punta del pilote se haya movido de 10 a 25% del ancho (o diámetro) del pilote. El limite inferior se aplica a pilotes hincados y el límite superior a pilotes perforados o preexcavados. Bajo carga última (figura 9.8d y curva 2 en la figura 9.8b), Q(z =0) = Qu. Entonces


La explicación anterior indica que Qs, (o friccióñ unitaria superficialf a lo largo del fuste del pilote) se desarrolla bajo un desplazamiento mucho menor comparado con el de la resistencia de punta Qp, que se ve en los resultados de pruebas de carga en pilotes en suelo granular reportados por Vesic (1970) y mostrados en la figura 9.9. Note que esos resultados son para pilotes de tubo en arena densa.

Bajo carga última, la superficie de falla en el suelo en la punta del pilote (falla por capacidad de carga causada por Qp) es parecida a la mostrada en la figura 9.8e. Note que las cimentaciones con pilotes son cimentaciones profundas y que el suelo falla principalmente por punzonamiento, como se ilustró previamente en las figuras 3.lc y 3.3. Es decit se desarrolla una zona triangular, I, en la punta del pilote, que es empujada hacia abajo sin producir ninguna otra superficie visible de deslizamiento. En suelos de arenas densas y suelos arcillosos firmes se desarrolla parcialmente una zona cortante radial, II. Por consiguiente, las curvas de carga desplazamiento de pilotes se parecerán a las mostradas en la figura 3.lc.

La figura 9.10 muestra las curvas de transferencia de carga en campo reportadas por Woo y Juang (1995) sobre un pilote de concreto perforado (pilote preexcavado) en Taiwán, que tenía 41.7 m de longitud.

FIGURA 9.8 Mecanismo de transferencia de carga en pilotes


FIGURA 9.9 Magnitud relativa de la carga de punta transferida en varias etapas de la carga de un pilote


FIGURA 9.10  Curvas de transferencia de carga para un pilote obtenidas por Woo y Juang.
Las condiciones del subsuelo donde fue colocado el pilote eran las siguientes:

INSTALACIÓN DE PILOTES.

La mayoría de los pilotes son hincados en el terreno por medio de martillos o hincado- res vibratorios. En circunstancias especiales, los pilotes también se insertan por chorro de agua a gran presión o barrenado parcial. Los tipos de martillos usados para el hincado de pilotes son (a) martillo de caída libre, (b) martillo de aire o vapor de acción simple, (c) martillo de aire o vapor de acción doble y diferencial y (d) martillo diesel.

En el hincado, un capuchón o cabezal se conecta a la parte superior del pilote. Un cojinete es usado entre el pilote y el capuchón, con la finalidad de reducir la fuerza de impacto y repartirla sobre un tiempo más largo; sin embargo, su uso es opcional. Un cojinete se coloca sobre el capuchón del pilote. El martillo cae sobre el cojinete.

La figura 9.7 ilustra varios martillos. Un martillo de caída libre (figura 9.7a) se levanta por medio de un malacate y se deja caer desde una cierta altura H, siendo el de martillo el tipo más viejo para hincar pilotes, con su principal desventaja la pequeña frecuencia de sus golpes. El principio del martillo de aire de acción simple o martillo de vapor se muestra en la figura 9.7b. En este caso, la parte percusiva o martinete, se eleva por la presión del aire o vapor y luego se deja caer por gravedad. La figura 9.7c muestra la operación del martillo de aire o vapor de acción doble y diferencial. Para éstos se usa aire o vapor para elevar el martinete y también para empujarlo hacia abajo, incrementando la velocidad del impacto. El martillo diesel (figura 9.7d) consiste esencialmente de un martinete, un yunque y un sistema de inyección de combustible. Durante la operación, el martinete se eleva primero y se inyecta combustible cerca del yunque. Luego se suelta el martinete; al caer la mezcla de aire y combustible se comprime y genera su ignición. Esta acción empuja al pilote hacia abajo y levanta al martinete. Los martillos diesel trabajan bien bajo condiciones difíciles de hincado. En suelos blandos, el movimiento hacia abajo del pilote es bastante grande y el movimiento hacia arriba del martinete es pequeño. Este diferencial no es suficiente para encender el sistema aire-combustible, por lo que el martinete tiene que ser elevado manualmente.



FIGURA 9.7 Equipo de hincado de pilotes (a) martillo de caida libre; (b) martillo de aire o
vapor de acción simple; (c) martillo de aire o vapor de acción doble y diferencial;
(d) martillo diesel; (e) clavador vibratorio de pilotes

Las tablas D.4 y D.5 muestran algunos de los martillos diesel, de acción simple, de acción doble y diferenciales, comercialmente disponibles.

Los principios de op radón de un hincador vibratorio se muestran en la figura 9.7e. Esta máquina consiste esencialmente de dos pesos contragiratorios. Las componentes horizontales de la fuerza centrífuga generada como resultado de las masas giratorias se cancelan mutuamente. Así, se produce una fuerza vertical dinámica senoidal sobre el pilote que ayuda a hincar a éste.

El procedimiento de perforación por chorro de agua a gran presión se usa a veces en el hincado cuando el pilote tiene que penetrar un estrato delgado de suelo duro (como arena y grava) que se encuentra sobre un estrato de suelo más blando. En este procedimiento, el agua se descarga en la punta del pilote por medio de un tubo de 2-3 pulgs (50-75 mm) de diámetro para lavar y aflojar la arena y la grava.

Los pilotes hincados con cierta inclinación respecto a la vertical, típicamente 14° a 20º, se denominan pilotes inclinados, y son usados en grupos cuando se requiere una gran capacidad por carga lateral. Los pilotes se hincan por barrenado parcial para lo cual se usan barrenas neumáticas (capítulo 2) para preexcavar los agujeros en parte de su profundidad. Los pilotes se insertan entonces en los agujeros y se hincan a la profundidad deseada.

Con base en la naturaleza de su colocación, los pilotes se dividen en dos categorías: con desplazamiento y sin desplazamiento. Los pilotes hincados son del tipo con clesplazamiento porque mueven parte del suelo lateralmente; por consiguiente se tiene na tendencia a la densificación del suelo que los rodea. Los pilotes de concreto y los de tubo de extremos cerrados son de alto desplazamiento. Sin embargo, los pilotes H despla.zan menos suelo lateralmente durante el hincado por lo que son de bajo desplazamiento. En contraste, los perforados son pilotes sin desplazamiento porque su colocación ocasiona un cambio pequeño en el estado de esfuerzos del suelo.

TABLA D.4 Lista parcial de martillos típicos de aire y vapor




TABLA D.5 Lista parcial de martillos diesel típicos.