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.

Pilotes de Compactación - Estimación de la longitud.

Bajo ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr una compactación apropiada del suelo cercano a la superficie del terreno, y se denominan pilotes de compactación. Su longitud depende de factores como
(a) la compacidad relativa del suelo antes de la compactación,
(b) la compacidad relativa deseada del suelo después de lacompactación y
(c) la profundidad requerida de compactación. Son generalmente cortos; sin embargo, algunas pruebas de campo son necesarias para determinar una longitud razonable.

Pilotes de fricción - Estimación de la longitud.

Cuando no se tiene una capa de roca o material duro a una profundidad razonable, los pilotes de carga de punta resultan muy largos y antieconómicos. Para este tipo de condición en el subsuelo, los pilotes se hincan en el material más blando a profundidades específicas (figura 9.6c). La carga última de esos pilotes se expresa por la ecuación (9.4). Sin embargo, si el valor de Q es relativamente pequeño,

Éstos se denominan pilotes de fricción porque la mayor parte de la resistencia se deriva de la fricción superficial. Sin embargo, el término pilote de fricción no es muy apropiado, aunque se usa con frecuencia en la literatura técnica; en suelos arcillosos, la resistencia a la carga aplicada es también generada por adhesión.

La longitud de estos pilotes depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Para determinar las longitudes necesarias, un ingeniero requiere de un buen entendimiento de la interacción suelo-pilote, de buen juicio y de experiencia. Los procedimientos teóricos para el cálculo de la capacidad de carga de pilotes se presentan después.

Figura 9.6c Pilotes de Fricción.

Pilotes de Carga de Punta - Estimación de la longitud.

Si los registros de perforación establecen la presencia de lechos de roca o de material rocoso a una profundidad razonable, los pilotes se extienden hasta la superficie de la roca (figura 9.6a). En este caso, la capacidad última de los pilotes depende por completo de la capacidad de carga del material subyacente; entonces son llamados pilotes de carga de punta. En la mayoría de esos casos, la longitud necesaria del pilote debe ser establecida lo más preciso.

Si en vez de un lecho rocoso se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro del estrato duro (figura 9.6b). Los pilotes con pedestales se construyen sobre el lecho del estrato duro, y la carga última del pilote se expresa como

FIGURA 9.6 (a) y (b) pilotes de punta; (c) pilotes de fricción.

En este caso, la longitud requerida de pilotes se estima con mucha precisión si se dispone de los registros de exploración del subsuelo.

ESTIMACIÓN DE LA LONGITUD DEL PILOTE.

Seleccionar el tipo de pilote por usar y estimar su longitud necesaria son tareas bastante difíciles que requieren buen juicio, los pilotes se dividen en tres categorías principales, dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia de carga al suelo:

(a) de carga de punta,  Si los registros de perforación establecen la presencia de lechos de roca o de material rocoso a una profundidad razonable, los pilotes se extienden hasta la superficie de la roca (figura 9.6a). En este caso, la capacidad última de los pilotes depende por completo de la capacidad de carga del material subyacente; entonces son llamado....

(b) de fricción  Cuando no se tiene una capa de roca o material duro a una profundidad razonable, los pilotes de carga de punta resultan muy largos y antieconómicos. Para este tipo de condición en el subsuelo, los pilotes se hincan en el material más blando a profundidades

(c) de compactación. Bajo ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr una compactación apropiada del suelo cercano a la superficie del terreno, y se denominan pilotes de

Comparación de los Tipos de Pilotes.

Varios factores afectan la selección de pilotes para una estructura particular en un sitio específico. La tabla 9.2 da una breve comparación de las ventajas y desventajas de los varios tipos de pilotes con base en el material de que están hechos.

TABLA 9.2 Comparación de pilotes hechos de diferentes materiales