U N°4-I Conceptos sobre Fundaciones con Pilotes-2014

UTN - F. R. CONCORDIA CTEDRA: CIMENTACIONES DOCENTES: Ing. Alejandro C. Garca Ing. Oscar Rico -Ao 2.014 Pgina 1 de 94

UNDAD N 4

- Fundaciones Profundas Aisladas y Agrupadas

PUNTOS PRINCIPALES:

PARTE I - REVISIN DE CAPACIDAD DE CARGA Y COEFICIENTES DE SEGURIDAD, EN CIMENTACIONES

PROFUNDAS. - ASIENTOS DE PILOTES INDIVIDUALES. - ESAYOS DE PILOTES DE CARGA Y DE INTEGRIDAD (2014).

PARTE II - PILOTES SOMETIDOS A CARGA LATERAL. - RIGIDEZ RELATIVA PILOTESUELO. - MTODOS PARA LA DETERMINACIN DE ESFUERZOS Y DESPLAZAMIENTOS.

PARTE III - PILOTES DE GRAN DIMETRO. - CELDA DE PRECARGA - GRUPO DE PILOTES

UNIDAD 4 - AO 2.014:

I - Revisin de los conceptos de Capacidad de Carga y de los Coeficientes de Seguridad en las Cimentaciones Profundas. Asientos de Pilotes Individuales. Ensayos de Carga en pilotes: Estticos y Dinmicos. Ensayos de Integridad. II - Pilotes sometidos a Fuerzas Horizontales e Inclinadas. Diagramas de presiones, Mtodos Elsticos y de Rotura. Teora de Broms. Grficos adimensionales de Matlock y Reese y de Davisson y Gill. III - Pilotes de Gran Dimetro. Celda de Precarga. Grupo de pilotes: Cabezales. Distribucin de fuerzas verticales y horizontales. Capacidad de Carga y Asentamiento.

Estos Apuntes pretenden aportar fundamentos tericos y/o datos empricos, con el fin de complementar los contenidos especficos desarrollados en el curso anterior de Geotecnia; temas que tambin deben integrarse al conocimiento requerido para la materia Cimentaciones. Esta es la primera edicin o preliminar de los apuntes, por lo que est sujeta a revisin y correcciones posteriores.

Por la razn expresada de que ya fueron extensamente inquiridas en el curso anterior, no se har hincapi en planteos de frmulas para estimar la Capacidad de Carga de Cimentaciones Profundas; sino que simplemente y a la luz de la bibliografa actualmente disponible, se pretende reafirmar y revisar algunos fundamentos tericos e incluso cuestionar otros.

Recordamos que la consulta de bibliografa especfica, resulta imprescindible para el tratamiento integral de estos contenidos y de ninguna manera se busca reemplazarla.

CTEDRA: CIMENTACIONES 5 AO Ing. CIVIL TEORA: Ing. Alejandro C. Garca J.T.P.: Ing. Oscar D. Rico


PARTE I: REVISIN DE LOS CONCEPTOS DE CAPACIDAD DE CARGA Y COEFICIENTES DE SEGURIDAD EN LAS CIMENTACIONES PROFUNDAS.

Los pilotes son elementos de cimentacin, de gran longitud comparada con su seccin transversal, que se hincan o se construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno.

Las cimentaciones sobre pilotes se utilizan en la prctica en problemas de relativa complejidad, normalmente con condiciones ingiero-geolgicas intrincadas y/o sistemas de cargas actuantes con particularidades que impliquen la imposibilidad de resolver el problema mediante cimentaciones superficiales.

USOS; Los pilotajes se utilizan cuando: No existe capacidad portante en una profundidad alcanzable con zapatas o pozos semi-profundos. Se quieren reducir o limitar los asientos de un edificio. Las filtraciones, la estabilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecucin de

cimentaciones superficiales. Las cargas son muy grandes y concentradas (caso de torres sobre pocos pilares).

SOLICITACIONES; Los pilotes estn sometidos predominantemente a cargas verticales, pero en algunos casos deben considerarse otras solicitaciones como:

Cargas horizontales debidas al viento, empujes de arcos o muros, etc. Tiro o traccin de riendas o anclajes (componte vertical y/u horizontal). Friccin negativa, por asiento del terreno en torno a pilotes columna en presencia de rellenos o

sobrecargas o por descenso del nivel fretico en suelos blandos, an en proceso de consolidacin.

Flexiones por deformacin lateral de capas blandas bajo cargas aplicadas en superficie. Esfuerzos de corte, en pilotes que atraviesan superficies potenciales de deslizamiento de taludes.


TRANSMISIN DE ESFUERZOS; La capacidad de una cimentacin sobre pilotes para soportar cargas o asentamientos, depende en general de: el cabezal, el fuste, el mecanismo de transmisin de carga del pilote al suelo lateral y a los estratos subyacentes de roca o suelo.

Al colocar un pilote en el suelo segn la forma de instalacin, se crea una discontinuidad en el medio. Para el caso de pilotes perforados - colados "in-situ", la estructura de las arcillas se desorganiza y la capacidad de las arenas se reduce (se distienden).

En la hinca, dentro de la zona de alteracin (de 1 a 3 dimetros) se reduce la resistencia a cortante en arcillas, sin embargo en la mayora de los suelos no cohesivos aumenta la compacidad y el ngulo de friccin interna.

En el anlisis de la transferencia de la carga, todos los autores, coinciden que la carga se trasmite por la punta del pilote, a compresin, denominada "resistencia por punta" y/o por esfuerzo cortante a lo largo de la superficie del pilote llamada "friccin lateral". Sin embargo, en todos los casos no se desarrollan simultneamente ambas resistencias y el estado deformaciones para alcanzarlas difiere grandemente.

En general para las arcillas, la contribucin por fuste predomina sobre el aporte de punta; No siendo as para el caso de las arenas, sobre todo en pilotes de pequeo dimetro con punta en arena densa, donde prevalece la carga por punta.

DETERMINACIN DE LOS ASENTAMIENTOS: Constituye para estas cimentaciones un problema tericamente muy complejo, por las incertidumbres que surgen al calcular la variacin de tensiones por carga impuesta y por no conocer que parte de la carga (fuste o punta) es la que provocar las mayores deformaciones; o cmo influye el acortamiento elstico del propio pilote.

No toda la longitud del pilote trasmite igual valor de tensiones al suelo. El pilote est sometido a un esfuerzo normal (compresin) variable que va disminuyendo hacia la

punta. El asiento elstico del material del pilote afecta notablemente esta distribucin de esfuerzos.

Finalmente, al analizar estas cimentaciones, no se deben ver como una pila aislada, sino como un conjunto, donde tambin intervienen el cabezal y el suelo adyacente, y donde el comportamiento de un pilote depender en gran medida de la accin de los pilotes vecinos.

Ej.: Interaccin en Platea Apoyada sobre Pilotes para suelos muy blandos.

ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES SOBRE FUNDACIONES PROFUNDAS - PILOTES Segn B. Das:

A pesar de su costo elevado, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural.

Aunque se efectuaron numerosas investigaciones para predecir el comportamiento y la capacidad de carga de los pilotes en suelos granulares y cohesivos, los mecanismos no han sido aun totalmente comprendidos y tal vez nunca lo sean. El diseo y anlisis de cimentaciones con pilotes se considera en cierto modo un arte, en vista a las incertidumbres

Seleccionar el tipo de pilote a utilizar y estimar su longitud necesaria son tareas complejas que requieren de buen criterio; es decir no existen reglas sencillas que proporcionen una gua segura al ingeniero inexperto.

En la eleccin del tipo de pilote ms apropiado, intervienen factores como:

1. Perfil geotcnico o lito-estrato-resistente donde se va a fundar. 2. Magnitud y tipo de cargas que debe soportar. 3. Capacidad estructural del pilote. 4. Comportamiento durante el transporte, la colocacin, el hincado, etc. 5. Disponibilidad en el medio, costo, etc.


CLASIFICACION DE PILAS Y PILOTES

I Segn la forma como trasmiten la carga II Segn el material con que estn fabricados III Segn el procedimiento constructivo o Instalacin

I Segn el mecanismo de trasferencia de cargas al subsuelo: Dependiendo de su forma de trasmisin de cargas y de su funcin, los pilotes se pueden clasificar segn cuatro categoras principales:

1. De Punta Pilotes Columna. 2. De Friccin Pilotes Flotantes. 3. Mixtos Pilotes por Punta ms Fuste. 4. De Compactacin Pilotes Hincados.

III Segn su procedimiento constructivo - Instalacin de Pilotes (B. Das): Dependiendo de su seccin transversal (forma) y mecanismo de instalacin; se dividen en tres categoras:

a) Con desplazamiento lateral Hincados: Secciones Macizas, Tubos Armco con punta cerrada.

b) Con poco desplazamiento lateral Hincados: Perfiles Metlicos T, H, Tubulares abiertos Camisas hincadas. Hincados con perforacin previa: Seccin Maciza.

c) Sin desplazamiento lateral Pre-Perforados: cualquier seccin; - los que a su vez estos pueden ser:

c1) - Hormigonados In-situ, Encamisados o Sin encamisar con camisa perdida o recuperable;

c2) - Pre-moldeados, perfiles laminados, etc.

Los pilotes moldeados en sitio pueden ejecutarse con una camisa metlica perdida o recuperable o de hormign armado o sin camisa. Este ltimo es el mtodo ms utilizado en la Argentina; es el que requiere mayores controles para asegurar que las cargas asignadas puedan ser soportadas con los coeficientes de seguridad prestablecidos.

Tipos de equipos, para la colocacin:

Martillos Piloteadores (martinetes) o de Cada Libre o de Aire Comprimido (o Vapor), de accin simple o de Aire Comprimido, de accin doble - diferencial o Disel

Hincadores Vibratorios o Vibrohincador

Chorro de Agua a Alta Presin

Barrenado Parcial o Barrenos Neumticos + Hincado

Perforadoras o Barrenos Neumticos


Segn Bolognesi: La resistencia que ofrece el suelo a la carga Q aplicada en el pilote, se desarrolla en la parte embebida del mismo por friccin lateral RF y por reaccin en la base RB; para originar esta resistencia, el pilote necesariamente debe desplazarse.

Definir Qfalla como la carga que produce un se = 5% D; significa que:

se falla = 25 mm para un shaft o pilote de dimetro D = 50 cm; se falla = 50 mm para uno de D = 1 m; y se falla = 100 mm para uno de D = 2 m.

Si se adopta un coeficiente de seguridad de 3, Q proyecto = 33% Q falla y se proyecto < se falla

Todos los pilotes deben, necesariamente proyectarse o verificarse de acuerdo con los asentamientos mximos que toleran las estructuras que soportan.

En pilotes en arena existe una gran diferencia en los asentamientos necesarios para alcanzar la fluencia plstica; los asientos de friccin por fuste son una fraccin de los requeridos en la punta. El porcentaje de la carga soportada por friccin respecto del soportado por la punta, se incrementa a medida que se aumenta el dimetro de los pilotes.

En pilotes en arcilla la fluencia plstica tambin se produce mucho antes por fuste que por resistencia de punta; pero la misma se desarrolla con asentamientos considerablemente menores que en las arenas.

Mientras que, en arenas la fluencia plstica en la punta no se alcanza an con asentamientos del orden del 20% del dimetro D; en las arcillas los asientos requeridos son del orden del 5% de D. Como consecuencia de ello hay una diferencia en los porcentajes de la carga que se toma por friccin y por punta entre las arenas y las arcillas, para pilotes del mismo dimetro y con iguales asientos.

Un pilote de gran dimetro en arena tendr mucho ms participacin de la resistencia por fuste que por punta.

Segn B. Das:

La resistencia mxima por fuste del pilote ser totalmente movilizada cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea aproximadamente de 5 mm a 10 mm ( 1/3 pulg.), independientemente de la forma, del tamao y de la longitud de dicho pilote. Sin embargo, la resistencia mxima por punta NO ser movilizada hasta que el pilote se haya hundido de un 10% a un 25% de su dimetro.

Qf Mx: Para 0,5 a 1,0 cm.

Qp Mx: En pilotes hincados para 10% D*; (*vimos para arcillas aprox. 5% de D) En pilotes perforados para 25% D.

P. Ej. un pilote de 25 cm. vibro-hincado en arena suelta, desarrollar su Qf Mx para menos de 1cm de asiento; pero necesita aprox. *una pulgada de asentamiento para desarrollar su Qp Mx.

Segn Bolognesi: Deben descartarse los clculos basados en la suma de las resistencias mximas tericas de punta y de friccin, afectadas por el mismo factor de seguridad.


CLASIFICACION DE LOS MTODOS DE CLCULO

Para determinar la capacidad de carga en pilotes se han desarrollado frmulas y criterios que pueden agruparse en cuatro clases:

1) Pruebas de Cargas. 2) Mtodos Dinmicos. 3) Correlacin con ensayos de Penetracin (CPT). 4) Mtodos Estticos basados en la Teora de Plasticidad Frmulas de Capacidad de Carga.

MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA DE LOS PILOTES AL SUELO

Si la carga Q sobre la pila a cota (z = 0) en la superficie del suelo, es gradualmente incrementada. Parte de esta carga, ser resistida por la friccin de los lados, desarrollada a lo largo del fuste del pilote (Q1), y otra parte por el suelo debajo de la base del pilote (Q2).

La forma de la variacin de la resistencia de fuste o friccionante a lo largo de la superficie del pilote, ser como la curva 1 de la fig. (b), donde la carga soportada por el fuste a una profundidad z ser Q (z).

La resistencia por la punta o de la base del pilote Qp, ser un valor que debe sumarse (como una constante) a la funcin resistencia por fuste del pilote, para obtener as la resistencia total Qa, segn fig. (b) aunque podran sumarse afectados por coeficientes de reduccin diferentes, ya que no actan simultneamente con sus valores mximos.

Segn las teoras bsicas la resistencia unitaria por friccin aumenta linealmente con la profundidad, hasta cierto valor (funcin del D) y luego permanece constante hasta la punta; pero actualmente se acepta que ese incremento es ms bien parablico, presenta un mximo y luego disminuye debido a la menor deformacin elstica unitaria de la parte inferior del pilote respecto a la parte superior (adems del efecto arco o silo de distribucin de esfuerzos de los granos del suelo).

La variacin la resistencia de fuste por unidad de rea f (z) con la profundidad z, puede ser determinada como el cociente de la reduccin de carga a lo largo de un tramo del pilote sobre l permetro frmula (c):


(c) .

Qu = Qp + Qs.

Interaccin Pilote Suelo / Fuste - Punta

Segn Bolognesi:

Una vez que el pilote agota su resistencia por friccin, el aumento de carga lograda por una mayor deformacin debe ser una paralela al correspondiente aumento de carga tomado por la punta. El perfecto ensamble de ambas curvas es una verificacin de la correccin de las hiptesis introducidas en el clculo.

ONeill M. W. y Reese L. C (1999) han desarrollado factores de resistencia geotcnica bajo cargas axiales de compresin, considerando como Qu de falla para suelos granulares, la correspondiente a un asentamiento del 5% del dimetro de la base. Esto es de aplicacin en las arenas; pero en las arcillas, la carga total de falla se define con precisin y se alcanza con asentamientos inferiores a dicho 5%.

Con propsitos comparativos Brusey (2000), en coincidencia con otros autores, utiliza como carga ltima (Qu = Qp + Qs), la correspondiente a un asentamiento equivalente al 4% de D (dimetro del pilote).

La relacin directa entre el asentamiento y el dimetro del pilote es vlida en el campo de las deformaciones elsticas.

Mayne y Poulos (2001) y otros autores han observado que se opera en ese campo, para los asentamientos admisibles en las estructuras ordinarias.


COEFICIENTE DE SEGURIDAD

El Factor de Seguridad, depende de la confiabilidad con la cual se determina la capacidad de carga ltima del suelo y tipo de control durante la instalacin del pilote.

Generalmente, se recomienda un valor comprendido entre 2,5 y 3 si la confiabilidad es alta y un factor comprendido entre 3 y 5 si la confiabilidad es baja.

Segn Das:

El Factor de Seguridad Global usualmente vara entre: 2,5 FS 4

Briaud y otros (1989), realizaron anlisis estadsticos sobre muchos ensayos de pilotes para determinar la relacin respecto a la carga ltima estimada por frmulas vs la determinada en obra, arribando a cuatro importantes conclusiones generales:

1) Ningn mtodo de clculo dio una prediccin exacta de la capacidad de carga. 2) Tiene mayor incertidumbre la estimacin de Qp que la de Qf 3) Todas las frmulas sub-estiman Qf y sobre-estiman Qp 4) Para los mtodos de construccin tradicionales, la contribucin por fuste Qf se ve afectada por el

sistema de ejecucin en mayor medida, que la contribucin por punta Qp.

Por este desigual grado de participacin de Qf y Qp; algunos autores recomiendan que los coeficientes de afectacin de los valores mximos de cada uno de estos dos trminos sean diferentes, para as participar en la frmula de capacidad de carga admisible con un grado de seguridad similar.

Ejemplo de ESTIMACIN DE LA CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE DE UN PILOTE

Para Cargas Permanentes:

Qadm1 QU / FS Global = (Qf + Qp) /2,5 Doble verificacin:

Qadm2 Qf /FS1 + Qp /FS2 = Qf /1,5 + Qp /3,0 - Adoptar como Qadm el menor de ambos valores.

Para Hiptesis de Carga Excepcional:

Qadm3 = Qf /FS1 + Qp /FS2 = QfUU /1,2 + QpUU /2,0 Tercer verificacin: (con parmetros no drenados).

Para la estimacin de estos factores, resulta fundamental un buen entendimiento de la interaccin suelo-pilote, buen juicio y experiencia.


En General:

la participacin relativa de los trminos de capacidad de carga por la punta y por el fuste, depende de la deformacin tolerable por la estructura y del dimetro del pilote, entre otros factores.

Tambin influyen en la contribucin ambos componentes, otros factores como:

el mtodo constructivo o sistema de ejecucin, las caractersticas relativas entre los estratos de suelo que atraviesa el fuste del pilote y en el que

se embebe su punta, la presin vertical efectiva existente en el suelo (que puede variar durante la ejecucin de la obra), la consolidacin posterior de este subsuelo (friccin negativa); etc.

Por ejemplo:

La friccin en pilotes de gran dimetro en arena, aporta la mayor parte de la resistencia total, con lo cual Qp nunca llega a su valor de clculo por frmula de capacidad de carga y resulta razonable aplicarle un factor de reduccin mayor, que al trmino de Qf ; o bien pre-cargar la punta para ponerla en funcin con menor deformacin. ACA NORMAS ASTHO Probabilidad de Falla:

El Margen de Seguridad depende de la Probabilidad de Falla:

Pilotes diseados y construidos con Factores de Seguridad adecuados an podran tener probabilidades de falla inaceptables; con un Margen de Seguridad nulo (o negativo), an para FS superiores a los recomendados en la literatura internacional.

Para iguales FS, los pilotes flotantes siempre tienen mayores probabilidades de falla que los pilotes apoyados en la punta; esto se debe tanto a la mayor capacidad de carga, como tambin a una mayor certeza en los parmetros de clculo. La utilizacin de FS elevados para pilotes de punta no asegura que los asentamientos esperados a largo plazo sean menores a 2 cm.

La aplicacin de mtodos probabilsticos en el diseo de fundaciones profundas implica un progreso significativo respecto de los mtodos de clculo tradicionales. Se espera que sus ventajas sean reconocidas y sirvan para lograr diseos consistentes y econmicos en los prximos aos (Arrua- Aiassa 2011).

Tipos de Estados Lmites:


PILOTES EN ARENA

En arena, generalmente los pilotes se hacen penetrar a presin o se hincan. El material que conforma un agujero perforado en arena no se mantendr firme, luego del retiro

del equipo de perforacin (requiere de encamisado y/o lodo bentnico). Considerando la alta presin demandada para que un pilote penetre por presin esttica dentro un

estrato de arena, lo normal es que todos los pilotes en arena de dimetros 60 cm, se hinquen.

PILOTES EN ARENA - HINCADOS

Este proceso de instalacin de los pilotes, generan dos efectos en el suelo de fundacin:

1.- Compactan la arena alrededor del pilote. 2.- Aumenta el coeficiente de empuje lateral.

Figura: Densificacin de la arena por hincado del pilote, la hinca aumenta la friccin (ngulo ), densificando el suelo alrededor del pilote.

Las pruebas de penetracin, antes y despus de la hinca de un pilote, reflejan una compactacin importante de la arena, en un radio de accin de hasta 8xD - ocho veces el dimetro del pilote. Ocurre debido a que la arena se desplaza lateralmente y trae como consecuencia un aumento de los esfuerzos o presiones horizontales.

Indicaciones respecto al uso de pilotes hincados en arena:

La capacidad del pilote proviene, en parte de la friccin que se genere en este material y el pilote, y la otra parte por la resistencia por punta.

La informacin ms segura de la capacidad de carga en pilotes hincados a travs de materiales blandos hasta un depsito de arena, son las pruebas de carga.

Mediante estas prueba de carga, se comprueba que la forma de la curva carga asentamiento tiene la tangente a la curva inclinada, lo que indica que el pilote no falla hundindose en el terreno, sino que contina asentndose o penetrando en la arena, al aumentar la carga aplicada al pilote.

Por tanto, la carga lmite para el proyecto debe basarse en el asentamiento tolerable por la estructura y no en la capacidad de carga ltima a rotura del suelo (Qu).

Aspecto importante en pilotes hincados:

El endurecimiento que se puede desarrollar en las capas superiores por hincado.

La resistencia dinmica de un pilote aislado se desarrolla en las capas superiores blandas; esta resistencia no debe engaar al ingeniero, hacindolo creer que la capacidad de carga del pilote, bajo carga esttica, ser tan grande como el valor obtenido con la prueba de carga, ya que con el tiempo esa resistencia se disipa.


PILOTES EN ARENA PERFORADOS

En general en arenas relativamente densas o para dimetros importantes ( > 60cm.), los pilotes no se instalan mediante hinca.

En muchos casos, la arena del fondo de los cauces esta densificada, y es difcil o imposible hincar pilotes a la profundidad adecuada sin el uso de pre-excavacin; o mediante jets o chiflones de agua.

Adems, los pilotes moldeados en sitio son una de las soluciones actualmente preferidas en Argentina para las fundaciones de puentes, especialmente debido al aumento de las luces empleadas y a la irrupcin en el mercado de potentes equipos de perforacin, los que permiten la adopcin de grandes dimetros excavados a profundidades considerables.

Dichos pilotes, estn capacitados para resistir importantes cargas axiales y grandes momentos flectores, que se originan en la parte no soportada. Se deben incluir en su determinacin la altura libre no embebida, la posible socavacin del lecho, y las fuerzas horizontales y momentos que transmiten los cabezales.

Las bases de las pilas de puente localizadas cerca de los cauces de los ros deben ubicarse por debajo de la cota a la cual se estime puede ocurrir socavacin; tomando en cuenta que algunos ros durante las avenidas aumentan ms rpido su profundidad que el nivel en superficie. Adems la construccin de estribos y pilas reduce el ancho del cauce, lo cual tambin puede influir en la socavacin.

En los pilotes en arena para la longitud embebida, el valor de v es una funcin del comportamiento de los estratos de arena que atraviesa esa longitud:

Si son homogneos, la reduccin de la carga sobre las secciones a medida que aumenta la profundidad es una lnea recta - la resistencia por fuste qf crece linealmente (hasta aprox. una profundidad Lb 20 D) -, ms all de esta relacin de empotramiento crtico (Lb/D)cr, qf y/o qp permanecen constante (Poulos y Davis 1981).

Si la parte superior es la ms resistente, en ella se producir la mayor parte de la absorcin de carga y el rea para determinar la deformacin elstica ser menor; por consiguiente la deformacin elstica de la longitud embebida ser menor cuando los estratos superiores son densos.

Si la parte inferior es la ms resistente dicha deformacin elstica ser mayor - caso de pilotes con punta anclada en estrato inferior denso.

A igualdad de dimensiones y cargas:

Los pilotes de friccin se deforman menos que los pilotes de punta.

Para conocer esta distribucin con precisin es necesario instrumentar el pilote a diferentes profundidades.

En general una suave y gradual desviacin y una aproximacin con respecto a la lnea recta, son posibles con los datos del estudio de suelos.

En arenas, se supone que la friccin por fuste mantiene su valor mximo para deformaciones mayores que la necesaria para alcanzarla. Para deformaciones importantes, una posible disminucin de se puede estimar mediante ensayos de laboratorio.


Curvas tpicas de comportamiento tensin-deformacin y cambio de volumen para arenas: Lnea llena: arena densa; Lnea punteada: arena suelta (Graham y Hovan, 1986).

n /cel

V / V0

Debe sealarse que los asentamientos aceptables para estructuras son en general, menores que los necesarios para alcanzar el mximo valor de friccin en arenas, por lo cual solo en casos en que se permitan grandes asentamientos, es necesario precisar el valor de esta posible reduccin de carga por fuste; cuando esa carga pico con disminucin posterior, exista.

Figura vlida para pilotes en arena en general.

Presin en la base en funcin de la deformacin - para densidad relativa media densa. Interpolacin de valores de Lee y Salgado (1999). pevi = presin efectiva vertical inicial al nivel de la punta del pilote.

En la figura de Lee y Salgado, los asentamientos estn normalizados dividindolos por el dimetro del pilote (% D) y las presiones lo estn con respecto a la resistencia de la punta del cono en el ensayo CPT.

Los resultados se expresan mediante curvas que relacionan la presin unitaria con el asentamiento que produce la misma, en funcin de la densidad relativa de la arena y la presin efectiva vertical v (en cota de fundacin o punta), previa a la construccin del pilote.


Se ve en las curvas que; en un pilote con punta en arena medianamente densa, para un asiento admisible del 4% del dimetro (p. e. para D = 60 cm 1 pulg.) y una presin de tapada v = 1 Kg/cm2, se tiene qp = 13,7 Kg/cm2 (Qp = 38,7 ton.); en cambio para el mismo pilote con igual deformacin admisible y un presin efectiva v = 4 kg/cm

2, resulta qp = 20 Kg/cm2 (Qp = 56,5 ton.). S

restringimos grandemente la deformacin tolerable al 1% del D ( pulg.), tendremos para el primer caso qp = 5,0 Kg/cm2 (Qp = 14,1 ton.); y para el segundo con mayor presin efectiva ser qp = 9,5 Kg/cm2 (Qp = 26,9 ton.); es decir que:

al reducir a los asientos admisibles, tenemos menos de la mitad de la carga por punta para ambos casos".

Figura: Puente Chaco Corrientes - Pilote - sin precarga D = 1.800 mm.

1. Extrapolacin hasta asentamiento de 90 mm de la carga por friccin, por punta y total. 2. Carga tomada por la friccin y por la punta como porcentaje de la total (suma = 100%).

Se ve que:

Al incrementarse la deformacin admisible; se reduce la incidencia porcentual de la friccin por fuste y aumenta la incidencia de la carga por punta, en la capacidad de carga total; segn las siguientes:

Tablas confeccionadas con datos de las Figuras; para 3 diferentes asentamientos de la cabeza del pilote, requeridos por exigencias de las estructuras que soportan.


Mxima punta calculada para asentamiento igual a 4% del dimetro D (Brusey, 2000). Mxima friccin calculada. En las Tablas se han sealado los valores medidos y los calculados.

Para un asentamiento requerido de 1 pulgada: la carga por fuste llega casi al 100% de la mxima calculada (representando ms del 80% del total), en tanto que la caga por punta apenas es el 15% de la mxima calculada por frmulas y no llega a representar el 20 % de la carga total del pilote;

Superadas 2 pulgadas de deformacin, Q Punta no supera al tercio (33%) de Q Total; y Para muy grandes deformaciones, Q Punta no llega al 40% de Q Total.

Como se dijo, se observa que:

Un pilote de gran dimetro en arena pre-excavado (sin desplazamiento lateral), sin precarga:

tendr mucho mayor contribucin la resistencia por fuste que por punta y adems la participacin relativa de estos trminos de capacidad de carga, por la punta y por el fuste, depende principalmente de la deformacin tolerable por la estructura y del dimetro del pilote, entre otros factores.

Es decir, la friccin en estos pilotes aporta el mayor porcentaje de la resistencia total, con lo que Qp nunca llega a su valor mximo o de clculo por frmula de capacidad de carga y resulta razonable aplicarle una reduccin mayor, que la aplicada al trmino de Qf.

En dichos pilotes de gran dimetro adems, lo ms probable es que la carga de punta sea menor que la calculada, por las perturbaciones ocasionadas durante la construccin.

Ya que la excavacin provoca en las arenas una profunda alteracin del fuste y principalmente de la punta; hasta profundidades mayores de 1,00 m. en la punta y de un dimetro en los costados (Broms 1981).

Dado esta baja participacin de la punta en la carga total, si se dispone de una buena solucin terica para estimar la carga por fuste y una eficiente instrumentacin para determinar las relaciones cargas aplicadas asientos medidos, se obtienen valores con aceptables errores probables, que permiten calcular la capacidad de estos pilotes dentro del rango de precisin admisible.

Se pueden reducir los asientos necesarios o requeridos para activar la resistencia por punta, recurriendo a la precarga, como veremos ms adelante.


PARMETROS para ARENAS en General:

NGULOS DE FRICCIN PILOTE - SUELO

A partir de varias investigaciones el ngulo de friccin Pilote - Suelo, parece variar entre el 50% y el 80% de la friccin Suelo-Suelo.

0,5' a 0,8' Das (2001)

= R = ' Poulos y Davis (1980)

Otros autores: = 3/4 x H Hormign-Suelo = 2/3 x M Madera-Suelo = 20 A Acero-Suelo

Tabla: Bowles (1988):

ngulo de Friccin entre Material de Cimentacin Vs Suelo o Roca

MATERIALES EN CONTACTO ANGULO DE FRICCIN 2.

Hormign masivo o mampostera contra: Roca slida limpia 35 Gravas, mezclas de arena-grava, arena gruesa 29-31 Arenas finas a medias, arenas entre limosas y gruesas, gravas limosas y arcillas 24-29 Arenas finas, arenas arcillosas o limosas de granos finos y medios 19-24 Limos arenosos, limos no plsticos 17-19 Arcillas residuales muy rgidas y duras, arcillas preconsolidadas 22-26 Arcillas de rigidez media, arcillas blandas y arcillas limosas 17-19

Pilotes de lmina de acero contra: Gravas limpias, mezcla de arena y grava, rellenos rocosos bien gradados 22 Arenas limpias, mezclas de arenas limosas y grava, rellenos rocosos poco gradados 17 Arenas limosas, gravas o arenas mezcladas con limos o arcillas 14 Limos con arenas finas, limos no plsticos 11

Hormign moldeado o concreto contra: Gravas limpias, mezclas de arena y grava, rellenos rocosos bien gradados 22-26 Arenas limpias, mezclas de arenas limosas y grava, rellenos rocosos poco gradados 17-22 Arenas limosas, gravas o arenas mezcladas con limos o arcillas 17 Limos con arenas finas, limos no plsticos 14

Otros materiales estructurales: Acero contra acero en el contacto entre pilotes de acero 17 Madera contra suelo 14-16


COEFICIENTE DE EMPUJE HORIZONTAL SUELO-PILOTE:

Resistencia Lateral Friccionante o por Fuste:

Estudios de esfuerzos de horizontales: De acuerdo a las diferentes teoras, mtodos constructivos o forma y profundidad de instalacin, y a referencias de datos compilados en ensayos de carga y de extraccin El coeficiente de empuje lateral en arenas presenta muy grandes dispersiones - Anlisis datos de campo varan de 0,8 a 3; comprendido entre Reposo y Pasivo o an mayor:

(d) 'h = Kh 'v (de 0,80 a 3). 'v K0 Kh Kp

K vara tambin con la profundidad, es aproximadamente igual al coeficiente de presin de tierras Pasivo de Rankine Kp en el tope de la pila y puede ser menor que el coeficiente de empuje lateral en reposo K0 en su punta.

De acuerdo a la bibliografa, parece lgico que el valor de K sea superior a uno, resultando razonable asumir un valor de Ks 2 para arenas densas.

Dijimos tambin, que el esfuerzo vertical v usado en la ecuacin (d), se incrementa linealmente con la profundidad, hasta un lmite mximo de 15 20 veces el dimetro de la pila (L 15D 20D), mantenindose despus constante o incluso reducindose.

Coeficiente de empuje o presin lateral Ks (relacin de presin lateral a presin vertical); Usualmente se adopta:

Valores promedios de Ks, recomendados para Pilotes

Pilotes excavados (Ks < Ko): Ks 0,75 Ko

Barrenadas o hincadas con chorros de agua (Ks Ko): Ks Ko = 1- sen'

Pilotes hincados (Ks > Ko): Ks 1,50 Ko

o Bajo desplazamiento - hincados

Kp Ks 1,4 Kp Pasivo, lmite inferior- lmite superior

o Altos desplazamiento - hincados

Kp < Ks 1,8 Kp Pasivo, lmite inferior - lmite superior

Coeficiente lateral de tierra en los lados del PILOTE HINCADO, segn otros autores:

Fuente?


Tambin, para pilotes hincados en arenas finas saturadas (densas a muy densas) es posible su relajacin (fenmeno de dilatancia).

Bhusan (1982), ha recomendado las siguientes relaciones para altos desplazamientos en pilas hincadas:

Ks = K tan = 0,18 + 0,0065Dr donde: Dr = Densidad relativa en %

Ej. Para Arena Suelta Dr = 25% Ks = K tan 0,35 Para Arena Densa Dr = 65% Ks = K tan 0,60

PILOTES DE COMPACTACIN - En Arenas Sueltas.

En este procedimiento la resistencia estructural de los pilotes no es fundamental, ya que lo que se busca es aumentar la densidad relativa o compacidad de la arena.

El hincado de pilotes en arenas sueltas: disminuye la relacin de vacos, aumenta la densidad relativa e incrementa el ngulo de friccin.

Lo anterior se debe al efecto de las vibraciones producidas por el hincado y otra parte a la densificacin generada por el volumen de suelo que desplazan los pilotes.

Ese aumento de los parmetros mencionados, puede lograrse hincando y sacando un mandril (martillo) con la forma de pilote o con mucha conicidad, lo que resulta ms efectivo y econmico, para el aumento de la compacidad de la arena; haciendo de esta forma un agujero, que luego puede rellenarse con arena compacta o grava. Tambin, pueden usarse para lograr este objetivo, pilotes de bulbo ensanchado tipo Franki sin forros o camisas.

Los asentamientos que puede tener una estructura construida sobre la arena luego del hincado de pilotes, son aproximadamente iguales que los estimados por los procedimientos aplicados a zapatas y losas, sobre arena densa.

Consideraciones: Si la estructura se va a apoyar en zapatas sobre pilotes, stos deben hincarse en grupos, donde

los pilotes internos deben hincarse primero, para obtener la mayor y uniforme compactacin del suelo debajo de la zapata.

Si se va a apoyar la estructura en una platea de cimentacin sobre pilotes, stos debern estar uniformemente espaciados en toda el rea.

La longitud de este tipo de pilote, es difcil de predecir, ya que: Si los pilotes se hincan hasta obtener la misma penetracin por golpe, sus longitudes irn

disminuyendo progresivamente, porque la arena se va densificando cada vez ms. Cuando se interrumpe el hincado del primer pilote del grupo, hincndose luego los pilotes

vecinos, si se reanuda el hincado del primer pilote, ahora se tendr mayor resistencia al hincado, debido al confinamiento lateral.

La carga que se asigna a estos pilotes es arbitraria, y se basa en el comportamiento que han tenido estos pilotes durante la hinca.

En obras pequeas, usualmente se asignan cargas de 30 toneladas a los pilotes de Hormign (pre-moldeados u hormigonados in-situ).

Se usan frmulas de hinca, no para determinar la carga, sino como una simple indicacin de la compactacin adecuada y as evitar el exceso de hincado.

En obras importantes, debera hacerse un grupo de prueba, que correlacione un ensayo de cargas con alguna frmula de hinca para el control posterior.

La informacin obtenida de ensayos, hincado y re-hincado; permitir la seleccin de los criterios adecuados para cada obra.

P. e. Hi nc ar el pil ote del c entro has ta que s e al canc e la capacidad indic ada por la fr mula (ENR) y por el registr o de hi nca del pilote. Luego hinc ar todos los otros pil otes obteniendo sus registros e hinc ndos e l a mis ma penetraci n por gol pe, obtenida para el pilote central .


Rehi nc ar el pilote centr al y juzgar su capacidad en bas e al registr o de r ehi nc ado. Hacer una pr ueba de carga al pil ote c entral par a verific ar la equi valenci a de la capacidad real y l a determi nada c on la ecuacin de la onda.

PILOTES EN LIMO

Pilotes Hincados en arena muy fina y en limo.

En arena muy fina y limo en condicin suelta, la disipacin de las sobrepresiones que se generan no es tan rpida como en las arenas drenantes medias a gruesas, sueltas o medianamente densas.

Al hincar sucesivamente pilotes en estos suelos sueltos, las presiones de poros se acumulan reduciendo los esfuerzos efectivos y por tanto la resistencia al cortante.

Si la presin de poros alcanza valores altos, el suelo se transforma en un fluido viscoso, quedando los pilotes prcticamente flotando o en estado de licuefaccin. Para evitar el fenmeno, es ventajoso usar pilotes que desalojen el menor volumen de suelo, adems de disminuir la rapidez de avance en la obra para dar tiempo a la disipacin de las sobrepresiones.

Aun as en estos suelos (arena muy fina y limo suelto) si pueden instalarse e hincarse pilotes, aunque sea con dificultad, ya que la disipacin de las presiones de poro puede ir acompaada de un endurecimiento sustancial y dar como resultado una buena cimentacin.

Si la arena o el limo, estn en condicin compacta pueden presentarse una gran resistencia a la penetracin de los pilotes, debido a la tendencia que tienen los suelos al compactarlos de incrementar su volumen (dilatancia) cuando se someten a corte y a la aparicin de presiones de poros negativas.

El anlisis de los registros a travs de hincado puede indicar una elevada capacidad dinmica, pero estos suelos luego del hincado se relajan disminuyendo su capacidad.

Una estimacin del fenmeno de relajacin puede hacerse a travs de los registros de re-hincado o de la prueba de carga, descarga y recarga.

En nuestro pas tambin se utilizan pilotes para fundar sobre loess colapsable o suelos inestables de origen elico (habituales en Crdoba y San Luis).

Diferentes autores recomiendan atravesar el estrato de estos suelos colapsables, transfiriendo las cargas a mantos ms estables y resistentes (Prakash y Sharma 1990); esto no siempre resulta factible, ya que por ejemplo en el centro-oeste de nuestro pas, el espesor de estos estratos vara entre los 25 y los 60 metros.


PILOTES EN ARCILLA

En el estudio del tipo de fundacin, se indica que si el subsuelo es una arcilla altamente compresible, una buena seleccin del sistema de fundacin, ser el uso de pilotes.

En general las cargas de la superestructura pueden ser resistidas conjuntamente por el suelo situado bajo su punta y por el suelo que rodea su fuste; o pueden funcionar como Pilotes Flotantes, exclusivamente por fuste.

Cuando las arcillas son blandas y profundas y las cargas son importantes, actualmente tambin se utilizan Plateas Rgidas y Losas de Fundacin Parcialmente Compensadas, Combinadas con Pilotes Piled Raft Foundation. La interaccin permite obtener un mayor grado de seguridad y una fuerte economa sobre una fundacin indirecta o profunda con Pilotes y una importante limitacin de asentamientos respecto de la fundacin directa sobre Plateas.

COMPORTAMIENTO DE LAS ARCILLAS ALREDEDOR DE PILOTES

La mayora de ensayos realizados y reportados en pilotes para el estudio de friccin en el fuste, tanto positiva como negativa, han sido ejecutados en pilotes hincados, con un nmero extremadamente limitado de reportes en pilotes pre-excavados y vaciados in situ; ello est relacionado con la dificultad propia de instrumentar pilotes hormigonados in situ. Por lo anterior, el conocimiento de la friccin negativa en pilotes pre-excavados generalmente est basado en datos acumulados a partir de pilas hincadas.

De acuerdo con Zeevaert (1987), el procedimiento de construccin es importante para asignar los parmetros de resistencia al esfuerzo cortante a lo largo del fuste o vstago de un pilote, esto es los valores de cohesin Cu y ngulo de friccin interna .

En el caso de pilotes pre-excavados y vaciados in situ, cuando se coloca hormign en una perforacin sin revestimiento, la resistencia al esfuerzo cortante aumenta en la interfase del fuste del pilote con el suelo por la inclusin de lechada de cemento en el suelo circundante. Cuando se origina el movimiento relativo entre el pilote y el suelo debido a la consolidacin de los sedimentos alrededor del vstago del pilote, la superficie potencial de deslizamiento puede quedar localizada a cierta distancia del pilote, hasta una superficie vertical no afectada por la lechada del hormign utilizado; esta distancia depende de la permeabilidad del suelo alrededor del pilote.

En el caso de pilotes hincados, el fuste queda rodeado de un anillo de suelo alterado o remoldeado por el desplazamiento del suelo al ser introducido. O sea que probablemente, en ambos casos:

La superficie de falla por fuste no ser la Interfase Suelo-Pilote sino la Ruptura Suelo-Suelo.

Segn Prakash y Sharma (1990); los principales efectos del hincado de pilotes en arcillas son cuatro:

1) Remoldeo o alteracin de la estructura del suelo alrededor del pilote 2) Cambios en el estado de esfuerzos en el suelo en cercanas del pilote 3) Disipacin del exceso de presiones de poro desarrolladas alrededor del pilote 4) Recuperacin de resistencia del suelo en el largo plazo

Si se considera un pilote hincado dentro de un depsito profundo de arcilla blanda impermeable, en primera instancia se deber tener en cuenta que un volumen de arcilla igual al volumen del pilote debe ser desplazado durante el hincado, la operacin de hincado puede causar los siguientes cambios en la arcilla:

1. El suelo es empujado lateralmente desde su posicin original (aunque es casi incompresible). 2. Como la arcilla tiende a perder su resistencia con la alteracin, slo una pequea cantidad de friccin en el fuste existir durante el hincado. 3. Dado que el pilote est siendo hincado dentro de arcilla saturada impermeable, la superficie del suelo puede levantarse considerablemente a causa del volumen de arcilla desplazado.


Algunos efectos del hincado del pilote, dentro de la masa de arcilla:

Variacin de la Resistencia al Corte: Inmediatamente despus del hincado y debido al desplazamiento lateral del suelo, la resistencia al corte del suelo cercano a la cara del pilote se reduce, quedando solo una pequea fraccin de la resistencia original; la resistencia aumenta a medida que nos alejamos de la superficie del pilote.

Mediante ensayos en Ciudad de Mxico, Marsal y Mazari (1969) establecen que la alteracin provocada en las arcillas por la penetracin de los pilotes es intensa en la vecindad de estos, manifestndose en prdida de elasticidad y fisuracin. La resistencia a la compresin simple, registrada a las pocas horas del hincado puede ser cercana a la mitad de la que presentaban las arcillas en estado inalterado.

Variacin de la Presin de Poros: Inmediatamente despus del hincado existir un alto exceso de presin hidrosttica en la arcilla adyacente al pilote; esta presin de poro se incrementa menos a medida que nos alejamos del pilote, dado que la alteracin de la arcilla es tambin menor.

Los gradientes que resultan de estos excesos de presin inducen filtracin y flujo, dando comienzo al proceso de consolidacin; el flujo del agua va desde el punto de alta presin a puntos de menor presin y por ello, tiende a ser radial alejndose del pilote. Dado que el agua est fluyendo en ese sentido, durante la consolidacin las partculas de arcilla se desplazan radialmente hacia el pilote; de esta manera, la arcilla reduce su relacin de vacos en los sectores adyacentes a la superficie del pilote. A causa de lo anterior, despus del hincado del pilote el suelo aumenta la friccin en el fuste a una taza bastante rpida y la resistencia del suelo presenta tendencia a aumentar.

Durante las operaciones de hincado la resistencia por la punta es generalmente alta dado que igualan la fuerza requerida para causar todo el proceso de remoldeo. El suelo que en condicin inalterada presentaba una alta resistencia, es desplazado de su posicin, pero dado que se encuentra saturado, no puede ser comprimido ante condiciones de carga rpida como las del hincado; por lo tanto en el permetro del pilote emerge un volumen de suelo equivalente al de la columna desalojada, para permitir que el pilote penetre el suelo por su punta.

FRICCIN ENTRE SUELO Y PILOTES DE CONCRETO

Das (2001) advierte que la estimacin de la resistencia por friccin de pilotes en arcilla es difcil de realizar a causa de la presencia de variables que no son cuantificadas fcilmente.

La friccin en el fuste entre un suelo cohesivo y el pilote no es necesariamente igual a la resistencia cortante del suelo, dado que la instalacin del pilote puede alterar significativamente las caractersticas fsicas del subsuelo La friccin en el fuste depende adems, del material y de la forma del pilote, aunque ensayos de extraccin confirman que la falla por fuste en pilotes de hormign, se produce en el contacto suelo-suelo y no por friccin en la interface suelo-pilote (Miccuci).

Tomlinson (1995) destaca que a causa de los efectos combinados del hincado, no debe sorprender que la friccin unitaria por el fuste sea solo una fraccin de la resistencia inalterada al corte de la arcilla y adems, que se puedan presentar grandes variaciones en el factor de adhesin en un mismo sitio.

Tomlinson tambin destaca, que la movilizacin de resistencia en el fuste se encuentra influenciada por dos factores principales: la relacin de sobreconsolidacin de la arcilla y la relacin de esbeltez o de empotramiento L/D del pilote.


En la actualidad existen dos enfoques para la determinacin de la friccin entre el pilote y el suelo: el de los esfuerzos totales (Mtodo ) o el de los esfuerzos efectivos (Mtodos y ).

El primer enfoque es usado en clculos en condiciones no drenadas, las cuales generalmente son consideradas las condiciones ms crticas a menos que la arcilla se encuentre altamente sobreconsolidada (Poulos y Davis, 1980).

Para pilotes en arcillas rgidas, altamente preconsolidadas, la condicin drenada puede entregar valores crticos, por lo que un enfoque de esfuerzos efectivos resulta ms apropiado.

Segn Peck, Hanson y Thornburn:

La carga que puede soportar un pilote por fuste en un depsito de arcilla saturada, debe determinarse preferentemente por medio de una prueba de carga esttica, cuyo resultado es similar al presentado en la fig. En este caso la forma caracterstica de la curva cargaasentamiento, es similar a la curva a, donde a partir de determinado nivel de carga, ocurre un asentamiento sbito del pilote.

Figura.- Resultados tpicos de pruebas de carga en: a) Pilote de fuste b) Pilote de punta c) Pilote mixto.

Observaciones de los autores respecto a la fig. en la curva a:

Una lnea tangente a la asntota de la curva, determina la resistencia ltima por friccin del pilote (Qult), donde un tercio de este valor puede ser tomado como la carga admisible del pilote (Qadm), o un medio para combinaciones especialmente desfavorables.

La prueba de carga puede completarse con una prueba de extraccin; En un pilote de friccin o fuste, la curva carga-extraccin, tiene las mismas caractersticas que la

de carga- hundimiento (si el pilote es cilndrico); La diferencia de valores entre cargas obtenidos en ambas pruebas, es una medida grosera de su

resistencia en por punta.

Variacin de la resistencia al hincado de un pilote en arcilla.

a) Nmero de golpes/cm, prcticamente constante con la profundidad y relativamente bajo: La resistencia del pilote est aportada totalmente por el fuste.

b) Resistencia baja a lo largo del fuste y se obtiene un valor alto aprox. a los 48 m, que indica la presencia de un estrato firme en la punta.

c) Diagrama tpico de pilote hincado en un depsito de arcilla, donde la resistencia al fuste se incrementa con la profundidad.


Reduccin de qf mediante coeficientes ( y )

El hincado de pilotes en arcilla, produce una reduccin de la resistencia de la arcilla y un aumento de la presin intersticial.

Sin embargo, la resistencia de la arcilla puede aumentar luego de la hinca durante un periodo de tiempo, debido a procesos tixotrpicos o por la consolidacin de la arcilla prxima a los pilotes (disipacin de las sobrepresiones intersticiales).

El incremento de resistencia por procesos tixotrpicos, constituye la mayor parte de la capacidad de carga del pilote, no estando relacionada con la transmisin de esfuerzos durante el hincado.

Con el tiempo, la prdida de resistencia causada por el hincado es parcial o totalmente recuperada, durante un lapso de tiempo que vara entre 30 y 60 das.

Cummings, Kerkhoff y Peck (1950) encontraron que la resistencia al corte en las proximidades del pilote, se redujo por la hinca, pero un mes despus la resistencia haba vuelto a su valor inicial y al cabo de once meses era considerablemente mayor que en el instante inicial.

Terzaghi y Peck (1967) reportaron incrementos de aproximadamente un 300% de la resistencia al fuste durante un perodo de 25 das.

Por tanto, los esfuerzos horizontales despus de la hinca en general son mayores que antes de la misma, debido a la consolidacin de la arcilla, y la resistencia puede ser mayor despus de la consolidacin que antes de hincar el pilote.

En pilotes perforados (pre-excavados) la prdida de resistencia por la perturbacin ser menor, pero al mismo tiempo tambin lo ser el incremento de esfuerzo horizontal efectivo posterior a la consolidacin.

Observaciones de la Resistencia de Punta:

En suelos predominantemente plsticos, el exceso de presin generado por las cargas que transmiten los pilotes, requiere de cierto tiempo para su disipacin.

Para una carga permanente de larga duracin, estas sobrepresiones se disiparn por la accin de la propia carga; mientras que si la carga es de corta duracin, como por ejemplo la accin del viento sobre la estructura, las sobrepresiones intersticiales no se disiparn tan fcilmente, ya que la accin de la carga no es permanente.

Si el estrato compresible o blando est situado sobre un estrato de arcilla resistente o dura, las cargas se transmitirn a este ltimo.

Si dentro del sub-suelo compresible, existen delgados estratos firmes de arena o arena y limo, la friccin de estos materiales puede soportar parte de la carga de una prueba o durante la hinca; sin embargo, debajo de la estructura, la friccin en los materiales superiores desaparece cuando el suelo se consolida, y luego de cierto perodo de tiempo, toda la carga se transmite a la punta del pilote.

Ya dijimos que, en pilotes en arcilla ocurre antes la fluencia plstica en el fuste, que la rotura en la punta; pero esta ltima resistencia se desarrolla con asentamientos del orden del 5% del dimetro, considerablemente menores que en las arenas (alrededor del 20% de ).


Observaciones de la Resistencia por Fuste:

La resistencia unitaria (adherencia) de la arcilla sobre el fuste del pilote de hormign o de madera es aproximadamente igual a la resistencia al corte del suelo. En un pilote metlico, la adherencia puede ser ligeramente inferior resistencia al corte del suelo.

Para la estimacin de la mxima carga que se aplica a un pilote en arcilla en un periodo corto de tiempo, resulta razonable emplear la resistencia al corte no drenada como valor aproximado de la adherencia de la arcilla al fuste del pilote.

Casagrande (1932) sealo, que la perturbacin de una arcilla natural por la hinca de un pilote, puede dar lugar a un gran aumento de compresibilidad y a una prdida de resistencia (por efecto del remoldeo y rotura de la estructura del manto original).

El hincado de pilotes en arcilla saturada, genera un incremento de la presin de poros en el suelo arcilloso que rodea al pilote. Este exceso de presin de poros en arcillas normalmente consolidadas, puede alcanzar valores que varan en un rango entre 4 a 6 veces la resistencia no drenada (Cu).

Sin embargo, pasado dos meses la sobre-presin se ha disipado gradualmente; como los pilotes de una cimentacin no estn cargados totalmente, hasta la terminacin de la estructura, es lgico utilizar la resistencia reconsolidada a efectos de proyecto; Por lo tanto:

Para cargas permanentes la resistencia al fuste para la pila, puede ser determinada en base a los parmetros de esfuerzos efectivos de la arcilla en un estado de remoldeo - pueden usarse parmetros drenados a lo largo del fuste y punta.

Las Formulas de Hinca o los Anlisis Dinmicos basados en la teora de ondas, probablemente conducen a estimaciones errneas, ya que no toman en cuenta estas variaciones temporales en los parmetros de resistencia al corte.

Para pilotes instalados en arcillas, un mtodo tradicionalmente utilizado para el clculo de la friccin unitaria, es definir un factor de adherencia , como la relacin entre la adherencia Ca y la resistencia al corte no drenado Cu; correlacionado empricamente con Cu a partir de resultados de pruebas de carga sobre pilotes. Siendo:

qsu = Ca .Cu; Factor de Emprico de Adhesin: = Ca/Cu

Internacionalmente se utilizan los coeficientes y de reduccin (o magnificacin) en condiciones no drenadas y drenadas respectivamente (Ca = Cu; qf = 'v); para considerar la disminucin (o incremento) de la adherencia suelo-pilote o resistencia por fuste.

Peck (1961) encontr para arcillas N.C, en un gran nmero de pilotes, que la adherencia deducida de pruebas de carga, son mayores a la resistencia al corte sin drenaje de pruebas de compresin simple en muestras inalteradas (Ca > Cu o >1), y para arcillas sobre-consolidadas la adherencia observada es en general menor que la resistencia sin drenaje (Ca < Cu o


Resistencia en Condiciones No Drenadas

La resistencia al corte no drenada Cu puede obtenerse de pruebas de laboratorio sobre muestras inalteradas de suelo o en el caso de suelos cohesivos blandos, por medio ensayos de campo con veleta de corte (Prakash y Sharma, 1990).

Para depsitos naturales normalmente consolidados, Cu puede estimarse por medio de la Plasticidad, mediante la relacin de Skempton (1948) y Bjurrum (1960):

Cu = v . (0,10 + 0,004 IP)

Donde v es el esfuerzo vertical efectivo y IP es el ndice de plasticidad en %; Ecuacin aplicable tanto a suelos normalmente consolidados como sobreconsolidados.

Para propsitos prcticos, en el caso de estratos con sensibilidad baja o media, se puede asumir que la resistencia al corte permanece inalterada durante la instalacin del pilote.

BIBLIOGRAFA

BOWLES, J. E.; Foundation Analysis and Design. Editorial Mc-Graw Hill. 4 Edition; Singapore, 1988 y Fifth Edition, Bogot, 1997.

DAS, B. J.; Principios de Ingeniera de Cimentaciones. Internacional Thomson Editores; California; 5 Edicin, 2006 y 7 Edicin, 2012.

JIMNEZ SALAS, J. A. et al; Geotecnia y cimientos. Tomos II y III; Editorial Rueda. Madrid, 1986.

LEE, H.J and SALGADO, R.; Determination of Pile Base Resistance in Sands. Journal of Geotechnical Engineering; ASCE, 1999.

PECK, R.B.; HANSON, W.E. y THORNBURN, T.H; Ingeniera de Cimentaciones. Editorial Limusa, Mxico, 1982.

POULOS, H.G. DAVIS, E.H.; Pile Foundations Analysis and Design. John Wiley and Sons; New York, 1980.

TOMLINSON, M.J; Foundation Design and Construction, Ed. Longman, United Kingdom; 6th ed., 1994 and 7th ed., 2001.

TOMLINSON, Michael J.; WOODWARD, John; Pile Design and Construction Practice, CRC Press, 5th ed., 2007; Taylor & Francis, New York, 2008.

Diseo de Pilotes segn la ROM 0.5-05 - Recomendaciones Geotcnicas para Obras Martimas y Portuarias Ao 2005 y Diseo de Pilotes Segn el CTE-SE-C - Cdigo Tcnico de la Edificacin Seguridad Estructural Cimentaciones; Espaa.

MORETTO O., nd.; Cimientos Profundos. Sntesis Escogida del Estado Actual del Conocimiento Sobre Interaccin con el Suelo, Centro de Estudiantes de Ingeniera de la Universidad Nacional de La Plata (CEILP); La Plata, AO.

ROJAS, Silvio; Apuntes de Pilotes, Capacidad de Carga - Cap. V. Universidad de Los Andes - Facultad de Ingeniera, Mrida, 2012.

BOLOGNESI, Arnoldo J. L.; Ensayos de Carga Estticos de Compresin en Pilotes de Hormign Moldeados en Sitio: Anlisis y utilizacin de los resultados; Curva Hiperblica que mejor se ajusta a los valores medidos- Boletn Soc. Arg. de Ingeniera Geotcnica N43, 2003.

U N°4-I Conceptos sobre Fundaciones con Pilotes-2014

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