DISEÑO DE PILOTES

Al contrario que las pilas, los pilotes al ser elementos mucho más delgados y esbeltos, si tiene que ser revisada su capacidad de carga axial, lo cual se puede realizar con la ecuación de resistencia a compresión antes vista:

Además, debe de ser revisado el diámetro propuesto para el pilote, por los esfuerzos de flexocom-
presión provocados por los momentos de inercia sísmicos en la base del edificio con las siguientes
ecuaciones:

PILOTES DE TUBO LLENOS DE CONCRETO

Los pilotes de tubo llenos de concreto son pilas de concreto simple o reforzado colado in s/tu. Para formarlas se usa    un barrenador grande o se excava un pozo a mano hasta llegar a un estrato resistente adecuado que se llena con concreto. Por esta razón, también se les denomina pilotes o pilas perforados.

■ Pilote de tubo lleno con concreto 1.

■ El refuerzo en la parte superior del pozo suministra una resistencia adicional a la flexión causada por las fuerzas laterales o por una carga excéntrica en la columna. 2.

■ La perforación es de un diámetro de 760 mm (2'-6") o mayor para permitir la inspección del fondo. 3.

■ Puede reú[uerirse una carcasa temporal para impedir el paso del agua, la arena o el relleno suelto proveniente del pozo durante la excavación. 4.

■ La base del pilote de tubo puede ampliarse en forma de campana para aumentar el área de contacto y resistir la elevación del suelo. La campana puede excavarse a mano o mediante un aditamento de cuchillas retráctiles. 5.

■ Estrato de suelo o de roca. 6.

■ Los pilotes de tubo con casú[uillo se perforan hasta un estrato de roca sólida para ol/tener mayor apoyo por fricción. 7.

■ Los pilotes de tubo para roca son pilotes con casquillo que tienen un núcleo de perfil H de acero dentro de una carcasa tubular llena de concreto. 8.

EDIFICION - CIMENTACIONES CON PILOTES

■ Los pilotes de madera son maderos hincados como un pilote de fricción. Generalmente, se les coloca una zapata de acero y una banda de hincado para evitar que el cuerpo del pilote se astille o se despedace. 1.

■ Los pilotes compuestos están construidos cor dos materiales, como un pilote de madera y una sección superior de concreto para evitar el deterioro de la parte del pilote cjue está arriba del nivel freático.

■ Los pilotes H y los perfiles H de acero se ahogan en concreto hasta un punto por debajo del nivel freático para evitar la corrosión. Los perñles H pueden soldarse en el proceso de hincado para formar pi¬ lotes de cualcjuier longitud. 2.

■ Los pilotes de tubo de acero se hincan con el extremo inferior abierto o cerrado con una placa o una punta de acero y se llenan con concreto. Un pilote de tubo con el e>ctremo abierto recjuiere inspección y excavado antes de llenarse con concreto.3.

■ Los pilotes de concreto precolado tienen secciones transversales redondas, cuadradas, poligonales, o con un núcleo abierto. Los pilotes precolados generalmente son presforzados. 4.

■ Los pilotes de concreto colado in situ se construyen vaciando concreto en una carcasa en el suelo. Estos pilotes pueden ser revestidos o sin revestimiento.

■ Los pilotes revestidos se construyen hincando un tubo o una carcasa de acero en el suelo hasta
que encuentra la resistencia recjuerida y luego se llena con concreto. La carcasa es una sección cilindrica de acero, corrugada o ahusada para mayor rigidez. 5e inserta un mandril de tubo o un núcleo de acero en una carcasa de pared delgada para evitar cjue se colapse en el proceso de hincado; luego se retira antes de vaciar el concreto en la carcasa. 5.

■ Los pilotes sin revestimiento se construyen hincando un tapón de concreto en el suelo junto con una carcasa de acero hasta cjue encuentra la resistencia reíiuerida; luego se apisona el concreto en su lugar a medida cjue se retira la carcasa. 6.

■ Un pilote de pedestal sin revestimiento tiene una punta agrandada para aumentar el área de carga del pilote y reforzar el estrato de apoyo por compresión. La punta se forma vaciando concreto a presión en el suelo circundante en la parte inferior de la carcasa. 7.

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.

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