Date post: | 07-Oct-2018 |
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CAPITULO I
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
En los últimos años, la ciudad de San Miguel ha tenido un desarrollo considerable en
sus actividades, como tales: habitacional, comercio, construcciones, industria y otros
rubros.
A medida que aumenta la población 245,428 hab., proyectada al 2001, según la
Dirección General de Estadísticas y Censo Ministerio de Economía, El
Salvador.(DIGEST1C), se incrementa la necesidad de satisfacer la demanda de
viviendas. Por otra parte el crecimiento urbano en la ciudad de San Miguel se ha
generado y expandido de forma lateral, sin considerar hasta el momento alternativas de
construcciones verticales.
Después de los terremotos del 13 de enero y 13 de febrero del 2001, los cuales afectaron
al país, dañando su economía y estructuras tales como: iglesias, edificios, viviendas,
hospitales y otras; se ve la necesidad de realizar estudios de suelos para cimentaciones
de nuevas edificaciones en la ciudad de San Miguel y en el área urbana o semiurbana.
Con el fin de evitar posibles daños y fallas del suelo a la capacidad de soporte,
asentamientos diferenciales, compresibilidad, saturación, etc; los cuales deben cumplir
con los requisitos y diseños estructurales.
Según los estudios de suelos acopiados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, existen
suelos arcillosos desfavorables y compresibles para la construcción en distintas zonas de
la ciudad (ver Fig. 1.0).
Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma
una saturación sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que
facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo
sobre ellas.
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Aunque las construcciones se realicen mediante técnicos, control de calidad y personal
calificado, es importante realizar distintos planteamientos y soluciones adecuadas del
tipo de cimentación a utilizar, sobre todo se tiene que considerar la relación Estructura –
Cimentación, debido a que se tienen que tener referencias de la estructura a construir en
un suelo determinado.
FIG. 1.0 MATERIAL ARCILLOSO, FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA DE OTE. UES.
Por los motivos anteriores es imprescindible aprovechar el recurso suelo, ya que la
preinversión hecha en la realización de una obra civil, debe estar apoyada en
información clara y precisa de las distintas características de los suelos y su posible
comportamiento con las cargas que se le transmitirán, los datos únicamente serán
obtenidos mediante el estudio de suelos, desarrollado por un laboratorio debidamente
autorizado y registrado legalmente.
El análisis y ejecución de los datos, será responsabilidad del “constructor de la obra”
o el delegado establecido por él, ya que es de suma importancia el buen manejo de
información para la construcción a realizar.
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1.1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el apartado anterior, se identificó la problemática por la cual atraviesa la ciudad de
San Miguel con relación al tipo de suelo que se presenta en ciertas zonas, de igual forma
su crecimiento poblacional, desarrollo económico y comercial en los últimos años.
Una vez identificado el problema y estableciendo su situación problemática,
proseguimos al planteamiento del problema, por lo que es necesario definir
específicamente lo que sucede en la ciudad de San Miguel y el aporte que se espera dar
con investigación.
Cuando se requiere de la construcción de una obra civil (viviendas, edificaciones,
puentes, carreteras y otros), es necesario considerar varios aspectos generales de
ejecución, tales como:
• Planos del proyecto: representan los requisitos básicos para establecer lo que se
quiere construir, donde se va a construir y la magnitud lo que vamos a realizar.
De tal forma, obtenemos la relación Suelo-Estructura, definiendo lo que
necesitamos como soporte estructural y posibles alternativas de solución.
• Estudios de suelos: en la construcción de una obra, es importante determinar y
conocer el tipo de suelo donde se realizará la edificación, ya que el éxito de una
obra comienza desde sus cimientos. De tal forma se hace necesario identificar si
el suelo donde se realizará la construcción es el adecuado y reúne las
condiciones óptimas para soportar las cargas a las que estará sometida.
• Alternativas de solución: cuando se tengan problemas con el tipo de suelo
encontrado en el lugar, y no reúna las condiciones favorables y económicas para
la construcción, es necesario conocer las distintas alternativas de solución para
lograr una buena edificación. Se elegirá de esta manera una solución económica,
favorable, que cumpla con los requisitos mínimos y con las Normas de calidad
exigidas internacionalmente como: ASTM, AASHTO, ACI, etc.
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Con relación a lo antes mencionado, es importante establecer lo que debemos hacer
cuando se tienen estratos de suelos saturados, poco saturados, compresibles (baja
capacidad de carga para un buen soporte); desconocimiento de procesos de diseño y
constructivos de cimentaciones profundas (pilotes), en la zona donde se ubicará la
investigación. Entonces llegamos al planteamiento de la siguiente pregunta:
¿Cómo puede determinarse la aplicación de cimientos profundos para edificaciones en
la ciudad de San Miguel?
Para responder a la pregunta planteada, es necesario tener un conocimiento de las
propiedades mecánicas de los suelos, los estudios realizados en el lugar y sus
respectivas recomendaciones por los Laboratorios de Suelos, de igual forma conocer los
distintos métodos de aplicación de diseño en la construcción de las cimentaciones
profundas, sus procesos constructivos y los requerimientos de calidad exigidos
internacionalmente.
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1.1.3 JUSTIFICACIÓN
En el Municipio de San Miguel se han realizado construcciones con cimentaciones
profundas, las cuales son efectuadas cuando los estratos de suelos situados
inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar las cargas
transmitidas con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable.
En distintos casos las construcciones están realizadas con cimentaciones superficiales o
semiprofundas, debido al tipo y magnitud de la estructura que se ha realizado, por
ejemplo: casas habitacionales, locales comerciales, restaurantes y otros.
Actualmente no existe en la ciudad de San Miguel, un documento o guía que sirva de
referencia para utilizar cimentaciones profundas en los suelos existentes de las zonas a
establecer, ya que para la realización de este tipo de investigación es necesario un
interés académico o institucional.
Por las razones anteriores es necesario elaborar un documento que haga una
recopilación de resultados de laboratorio actualizados y que brinde alternativas de
solución de cimentaciones profundas en base a la estratigrafía encontrada, generando de
esta manera un aporte técnico que sirva a la sociedad como un apoyo para la
construcción de fundaciones.
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1.1.4 OBJETIVOS
Objetivo General:
• Elaborar un documento que sirva como orientación general, sobre los estratos de
suelos a encontrar en la ciudad, y en las zonas desfavorables la aplicabilidad de
cimentaciones profundas coladas in situ. Cumpliendo de esta manera con el
requisito académico para optar al grado de Ingeniero Civil.
Objetivos Específicos:
• Realizar una delimitación del área en estudio para la ciudad de San Miguel, la
cual tendrá como prioridad los suelos compresibles que no son de beneficio para
la cimentación.
• Determinar las propiedades de los suelos a encontrarse en las zonas de estudio,
por medio de la recopilación de estudios de suelos y los ensayos propuestos a
realizarse.
• Aplicar cimentaciones profundas en los suelos desfavorables encontrados
previamente determinados en las zonas del área de estudio.
• Establecer los procesos constructivos colados in situ, en los lugares donde se
requieran las cimentaciones profundas.
• Proporcionar un documento donde se puedan describir las zonas en las cuales se
encuentren las arcillas compresibles, su profundidad y resistencia a ser fundadas.
• Elaborar un material de consulta para la construcción de edificaciones de gran
magnitud o una estructura con requerimientos y/o estudios de cimentaciones
profundas.
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1.1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES
Alcances:
• Elaborar un documento con los resultados de ensayos de suelos actualizados de
las zonas delimitadas por nuestra investigación para la ciudad de San Miguel.
• Determinar el tipo de cimentación profunda a utilizar en el suelo más
desfavorable encontrado, el cual estará de acorde al desarrollo urbanístico
proyectado en el mapa de uso de suelos según PADCO ESCO (1998).
• Representar mediante un mapa de macrolocalización los resultados promedios
obtenidos en la zonificación delimitada.
• Se realizarán Estudios de suelos en las zonas desfavorables previamente
delimitadas, los cuales complementarán la información de la recopilación de los
resultados de laboratorio existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel.
Limitaciones:
• Nuestra área de estudio se limitará en las zonas: urbana, semi-urbana y
potencialmente urbana de la ciudad de San Miguel.
• En las zonas previamente delimitadas donde existan suelos compresibles con
“N” muy bajos (dependiendo de los resultados de laboratorio y la edificación a
construir), se determinarán las soluciones mediante cimentaciones profundas
coladas in situ.
• En este estudio se hará una propuesta de diseño para cimentaciones profundas,
que sea el más factible y económicamente posible en el área delimitada para la
ciudad de San Miguel.
• La investigación de los procesos constructivos aplicando cimentaciones
profundas coladas en el lugar, estará limitado a los recursos y equipos que sean
utilizados en el país, sin exceptuar la maquinaria extranjera.
• La campaña geotécnica a realizarse, contemplará los estudios de suelos
recopilados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, además de realizar nuevos
estudios en las zonas proyectadas de desarrollo que se encuentren en el área
delimitada. Los estudios propuestos serán de Penetración Estándar (SPT).
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1.1.6 HIPÓTESIS
“Por medio de la recopilación existente y nuevos ensayos de Penetración Estándar
(SPT), realizar una macrozonificación del subsuelo de la ciudad de San Miguel, la cual
permita identifica los estratos compresibles a diferentes profundidades que requieran
de la aplicabilidad de cimentaciones profundas.
En adición a lo anterior, es necesario además un análisis de los modelos matemáticos
usuales para el diseño estructural y procesos constructivos acerca de los pilotes, ya que
se aportaría con esto, conocimientos fundamentales al sector profesional y estudiantil
para el uso de cimentaciones profundas empleando pilotes”.
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1.1.7 METODOLOGÍA
Se iniciará con la recopilación de los estudios de suelos existentes realizados en la
ciudad de San Miguel, de esta manera, se logrará identificar los tipos de suelos,
estratigrafía y sus propiedades a encontrarse. Luego se procederá a la delimitación del
área de estudio, para lo cual se necesitará un plano de localización actualizado (se
investigará en el Centro Nacional de Registros CNR) de la ciudad de San Miguel. Al
mismo tiempo se hará la actualización de resultados de laboratorio obtenidos.
Se estima encontrar diferentes zonas estratigráficas, por lo que será conveniente realizar
Estudios de Laboratorio de suelos para la verificación de los ensayos recopilados y sus
posibles soluciones de cimentación para los casos que se presenten. Estos estudios serán
de Penetración Estándar (SPT) en el área más desfavorable y/o crítica con suelos
compresibles o nivel freático cercano a la futura cimentación, y que tengan proyección
urbanística según el uso de suelos determinado por el Plan de Desarrollo Urbano de la
ciudad (PADCO-ESCO).
Una vez realizados todos los Estudios de suelos y la recopilación de información, se
aplicarán cimentaciones profundas en los suelos desfavorables conforme a los
resultados de laboratorio.
Para esta investigación se hará un análisis de las cimentaciones profundas, estableciendo
las partes por las que están compuestas, además de los requerimientos de normas y
especificaciones técnicas que deben de cumplirse a satisfacción, dependiendo del tipo
de material, tipo de ensayo a realizarse y exigencias a cumplir en nuestro país.
Después de definir la clase de cimentación, será necesario realizar el “Diseño Tipo”
según los lugares a proponer, realizando tres evaluaciones con distintas características
estratigráficas.
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Seguidamente se establecerán los diferentes procedimientos de construcción, los cuales
estarán regidos por la maquinaria y recursos utilizados para su realización,
complementados con el control de calidad y seguridad.
Finalmente se espera que el documento tenga un valor considerable para los usuarios,
que llene las expectativas y que cumpla con nuestros objetivos planteados, de esta
manera facilitar a los interesados en el tema, las aplicaciones de cimentaciones en la
ciudad de San Miguel.
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1.2 MARCO HISTÓRICO
La importancia de un estudio de suelos, radica en saber si el suelo será capaz de
soportar las construcciones, iniciando con la cimentación, que es la parte conocida como
infraestructura que se colocará por debajo de la superficie del terreno y que transmitirá
las cargas al suelo.
Con el transcurso del tiempo se determinó que algunas de las estructuras se deterioraron
antes de la vida útil, presentando distintas fallas, debidas a que el suelo sobre el cual han
sido cimentadas no han soportado el peso de la misma, a consecuencia de las
deformaciones sufridas por el suelo, tales como asentamientos, deformaciones,
expansión del suelo y otros.
En nuestro país, después del terremoto de 1965 en la Ciudad de San Salvador, se vio la
necesidad de realizar estudios de suelos, a los pocos años de este fenómeno surgieron
los laboratorios de suelos, los cuales comienzan a realizar y dar ciertas recomendaciones
en suelos de mayor problema con tratamientos especiales o cimentaciones profundas.
Hasta el fenómeno sísmico de 1986 en San Salvador, las cimentaciones profundas y
especialmente los pilotes tomaron cierto auge, ayudando también a que se empieza a
trabajar en zonas que fueron cafetales en las que se descubrieron existencia de humus y
de materia orgánica. En consecuencia el 98% de los pilotes de nuestro país fueron
puestos hace menos de 18 años.
En la zona oriental especialmente en San Miguel, en la cual se ubica nuestra zona de
estudio, se han tenido algunos casos de daños a las estructuras, debido a que las
cimentaciones de estas han fallado a causas de no conocer las características físicas y
mecánicas de los suelos y por consiguiente no practicarles un tratamiento adecuado.
Fue hasta después de 1986 que se empiezan a realizar recomendaciones especiales, pero
fue en la década de los años 90 en los cuales se empiezan a utilizar cimentaciones
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profundas en ciertas zonas. Entre algunas ellas tenemos: Plaza Chaparrastique, Texaco
Saquiro, edificio Ex Credisa, Puente Gavidia, Super Repuestos, Teatro Gavidia y otros.
No hay un registro existente en la Ciudad de San Miguel de que se halla construido
algún tipo de cimentación profunda antes de esta época*.
*Estudios de suelos existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel.
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1.3 MARCO NORMATIVO
Actualmente en nuestro país no existe ningún marco propio regulatorio sobre
cimentaciones superficiales y profundas, pero se toman en cuenta la calidad y
especificaciones de los materiales a utilizar en los diferentes tipos de cimentación.
Generalmente para pilotes, pilas y micropilotes construidos de concreto y acero se
utilizan los criterios de diseño y normas del “ACI Manual of Concrete Practice”, así
como también normas Mexicanas que son aplicables en nuestro país. Algunos temas
cubiertos por estos reglamento son: Planos y Especificaciones, Supervisión, Materiales;
Calidad del concreto; Mezclado y Colocación, Concreto preforzado; Concreto
prefabricado; y otros.
Para otro tipo de materiales distintos del concreto y acero, se basaran en las normas
“American Society for Testing and Materials” (ASTM). Esta comprende materiales
como madera (la cual es aplicable para cimentaciones profundas), además de los
métodos para la elaboración de los ensayos de laboratorio.
En nuestro estudio realizaremos sondeos de suelos con ensayos de Penetración Stándar
SPT (Ver en Anexo N-2). Con esto se pretende obtener la información necesaria de los
estratos que conforman el subsuelo, a fin de cumplir con el Capitulo 6, Art. 46, del
Reglamento para la Seguridad Estructural de Construcción de la República de El
Salvador.
En cuanto a los procesos constructivos en cimentaciones profundas, son los laboratorios
de suelos y las compañías supervisoras, las que se basan en nuestro país en manuales
Mexicanos de cimentaciones (se ampliará en el capítulo tres), para poder dar las
especificaciones necesarias.
Cuando intervienen compañías extranjeras (específicamente Americanas o Japonesas)
hay pequeñas diferencias constructivas ya que utilizan métodos propios de sus países de
origen.
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1.4 MARCO TEÒRICO
1.4.1- GENERALIDADES.
Toda obra de ingeniería civil descansa sobre el suelo, el cual, a diferencia de otros
materiales de construcción, no tienen definidas sus propiedades y características, es
decir que varían de una zona a otra. Puesto que el suelo es parte fundamental en el
comportamiento de la estructura, el conocimiento de estas, así como el de otras
condiciones que influyen en él; a tal grado que de nada sirve un buen diseño estructural
si se desconocen o se ignoran tales propiedades y características.
Para la determinación de la resistencia del suelo o para prever su comportamiento con el
tiempo una vez cargado, es necesario conocer ciertos datos, que se pueden obtener a
partir de los estudios en el laboratorio por medio de las muestras que se toman en los
sondeos de campo.
Es obvio que algunos resultados que se obtienen por el muestreo de pozos a cielo
abierto, difieren un poco de las propiedades del suelo (laboratorio), ya que se alteran sus
condiciones por el manejo y transporte. De esto se deriva la necesidad de usar factores
de seguridad, con los que se obtienen resultados satisfactorios.
Se puede hacer una distinción general entre los materiales básicos: suelo y roca. En el
extremo la distinción es clara, por ejemplo, entre granito suelto y granito sólido. Sin
embargo una distinción mas precisa, es un poco difícil, ya que algunos suelos que son
muy compresibles pueden ser muy duros (generalmente estado seco), mientras que
algunos tipos de roca son muy blandas o tienen muchas fracturas, lo cual las hace
susceptibles a la desintegración. Para el uso práctico de la ingeniería, el suelo se define,
generalmente, como un material formado por partículas discretas que son muy fáciles de
separar.
Por ser el suelo un material natural, sus propiedades no son controlables y son más
difíciles de determinar con precisión. Además, la respuesta de la mayoría de los suelos
bajo carga es no lineal desde los niveles bajos de esfuerzos y se modifican en forma
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importante con el tiempo. Esta distribución de esfuerzos entre el suelo y la cimentación
depende de la interacción entre ambos sistemas.
1.4.2- SUELOS CONVENCIONALES
Son conocidos los siguientes grupos y tipos*:
- Gravas: son fragmentos de rocas cuyo tamaño van de 2 mm a 250 mm. Los
tamaños son variados, de formas redondeadas o angulares. Se encuentran
combinadas con otros tipos de suelo y habrá que darle tratamientos como a los
cantos gruesos.
- Arenas: son pequeñas partículas de formas redondeadas o angulosas que
proceden de rocas disgregadas. Al describirlas se suele adoptar la clasificación
arbitraria (tabla 1.0). TABLA 1.0
CLASIFICACIÒN DE LAS ARENAS
TIPO DE ARENA DIÀMETROS
Arena fina 0.05 – 0.25 mm
Arena media 0.2 – 0.6 mm
Arena gruesa 2.0 – 2.5 mm Mecánica de Suelos. Juárez Badillo, 1995.
Estas se constituyen en suelos que no tienen cohesión, estando limpias no se
contraen al secarse, son mucho menos compresibles que las arcillas y si se aplica
una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.
Las arenas limosas o materiales arenosos normalmente son buenos para
cimentación. Sin embargo, cuando la arena es muy fina y suelta disminuir su
resistencia y capacidad de soportar cargas. Los suelos arenosos como Limo
arenoso, arena limosa, arenas puras, y otras; son muy susceptibles a los
problemas de erosión, socavación, y a disminuir rápidamente su resistencia. Este
tipo de suelo se mejora con un tratamiento ligante y confinante, de esta forma se
vuelve apto para cimentación.
- Limos: son suelos compuestos de partículas muy finas, con poca o ninguna
plasticidad, cuyos diámetros varían de 0.05 a 0.005 mm aproximadamente. Los
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limos orgánicos generalmente se encuentran mezclados con materia orgánica
finalmente dividida, de olor desagradable si está contaminada.
Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar
cargas a través de la estructura de cimentación. La permeabilidad de los limos es
muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos de no encontrarse en estado
denso, no se consideran buenos para cimentar, en espesor grueso son buenos
para cimentar. Son suelos de partículas muy finas que a veces pueden
confundirse con la arcilla, debido a que algunos presentan cierta plasticidad por
asociaciones arcillosas, lo cual modifica su típico comportamiento, en relación a
la consistencia, resistencia y capacidad de carga; aunque esta plasticidad se
puede disminuir combinándolo con un suelo arenoso. Algunas veces un suelo
limoso está contaminado con materia orgánica y esto causa que el suelo sea
inestable, por lo que habrá de darle un tratamiento que lo mejore combinándolo
con otros suelos (selecto). Sin materia orgánica y estabilizándolo mediante
compactación y otro material apropiado.
- Arcillas: están compuestas de partículas finas, generalmente en forma de
laminillas o escamas, cuyos diámetros llegan a ser menores de 0.005 mm.
Las arcillas se vuelven plásticas cuando se humedecen, pero pierden la
plasticidad y se contraen al secarse. Presentan marcada cohesión según su
humedad, son compresibles y al aplicarle una carga en su superficie se
comprimen lentamente, es muy sensible a los cambios volumétricos y a las
contracciones principalmente perdiendo su resistencia y capacidad de carga. Así
que para disminuir su plasticidad se puede combinar con otro suelo arenoso y
estabilizarlo mediante compactación. Cuando las arcillas se utilizan como suelo
de cimentación se debe controlar su contenido de humedad ya que son muy
susceptibles a los cambios volumétricos cuando se saturan o se secan.
- Tierra vegetal: es una mezcla de arena, limo o arcilla, o una combinación de
cualquiera de ellos, además de materia orgánica. La tierra vegetal no es útil para
cimentar. Deberá removerse totalmente y sustituirla por suelo sano sin materia
orgánica, la arena limosa es ideal para este tipo de sustitución.
- Turba: es suelo constituido por materia orgánica parcialmente descompuesta. La
turba es inservible en suelo de cimentación o como material de relleno.
*Manual de fundaciones de las estructuras según tipos de suelo. UES,1996.
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1.4.3- CLASIFICACIÒN DE SUELOS.
Clasificar un suelo, es agruparlo, de manera tal de conocer lo siguiente:
• Sus descripciones, de modo que se pueda identificar y tener una idea sobre sus
futuros comportamientos en cualquier tipo de obra.
• El conocimiento de su permeabilidad y su resistencia al esfuerzo cortante.
De aquí surge el problema de agrupar los suelos en un reducido número de tipos y por
otro lado, tenemos la ventaja de la clasificación por su notación corta, resulta muy útil
para dar con una idea general y una información abstracta y fácil de identificar un suelo.
Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos o subgrupos basados en su
comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje
común, para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que
son infinitamente variadas sin una descripción detallada.
Actualmente en los laboratorios se usa el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
(SUCS), para la distribución por tamaño del grano y plasticidad de los suelos.
Sistema Unificado de Clasificación de suelos (SUCS):
La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse en
la construcción de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército
durante la Segunda Guerra Mundial. En cooperación con la Oficina de Restauración de
Los Estados Unidos de América, el sistema fue revisado en 1952. Hoy en día, es
ampliamente usado por los ingenieros y laboratoristas. Este sistema clasifica los suelos
en dos amplias categorías:
- Suelos de grano grueso: son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del
50% pasando por la malla No.200. Los símbolos de grupo comienzan con un
prefijo G o S; donde “G” significa grava o suelo gravoso y “S” significa arena o
suelo arenoso.
- Suelos de grano fino: con 50% o más pasando por la malla No.200. Los
símbolos de grupo comienzan con un prefijo “M”, que significa limo inorgánico,
“C” para arcilla inorgánica u “O” para limos y arcillas orgánicos. El símbolo
“Pt” se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos.
Otros símbolos son también usados para la clasificación:
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• W: bien graduado
• P: mal graduado
• L: baja plasticidad (límite líquido menor que 50)
• H: alta plasticidad (límite líquido mayor que 50)
Para una clasificación apropiada con este sistema, se recomienda la siguiente
información:
• Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM,
GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM y GP-GC. Similarmente, los símbolos
de grupo para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML, y Pt.
TABLA 1.1 CLASIFICACIÒN DE SUELOS SUCS
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1.4.4- SUELOS COHESIVOS Y SUELOS NO COHESIVOS.
Una característica que hace muy distintivos a los diferentes tipos de suelos es la
cohesión, debido a ello se clasifican en: Suelos cohesivos y no cohesivos.
Suelos Cohesivos: es la propiedad de atracción intermolecular que hace que sus
partículas se mantengan muy unidas entre si; como las arcillas.
Suelos no Cohesivos: están formados por partículas duras de diversos diámetros en
forma suelta o muy sueltas como las arenas, y no poseen cohesión.
1.4.5- PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS SUELOS.
Son necesarias para el cálculo de la resistencia del terreno y para estimar el
comportamiento que tendrá al transcurrir el tiempo; se puede determinar por medio de
ensayos realizados en el laboratorio o por ensayos hechos en el lugar a cimentar.
1.4.5.1- PROPIEDADES MECANICAS.
Sirven para conocer las respuestas al someterlo a diferentes tipos de carga, a través de
las estructuras de cimentación.- Entre las principales propiedades mecánicas tenemos:
Permeabilidad: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se
mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene
dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al
agua en su travesía por la masa del suelo; el grado de permeabilidad varia según el tipo
de suelo.
Un suelo o roca es permeable cuando contiene vacíos o fracturas continuas; los vacíos
existen en todos los suelos incluyendo las arcillas mas compactas.
La forma de los granos es importante especialmente en los suelos más gruesos. El grado
de saturación y el aire atrapado en los poros reduce el área en la sección transversal y
puede llegar hasta obstruir el paso del agua.
La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: la viscosidad del fluido,
distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos,
rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En los suelos
arcillosos la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores
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mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son: la concentración iónica y el
espesor de las capas del agua adheridas a las partículas de arcilla.
El valor del coeficiente de permeabilidad “k”, varía ampliamente para diferentes suelos;
como se muestra en la tabla 1.2; se dan algunos valores típicos para suelos saturados. La
permeabilidad del suelo no saturado es menor y crece rápidamente con el grado de
saturación. TABLA 1.2
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD “K ”
TIPO DE SUELO k (cms/seg)
Grava limpia 100 – 1
Arena gruesa 1.0 – 0.01
Arena fina 0.01 – 0.001
Arcilla limosa 0.001 – 0.00001
Arcilla 0.000001 Braja M. Das, 2001.
La permeabilidad también está relacionada con las propiedades del fluido que pasa a
través del suelo por la siguiente ecuación:
k = γw η . K
donde:
γw = peso específico del agua
η = viscosidad del agua
K = permeabilidad absoluta
La permeabilidad absoluta se expresa en unidades de longitud al cuadrado, es decir en
centímetros cuadrados (cm²).
Resistencia al corte: las obras de ingeniería son construidas sobre el suelo y es
necesario garantizar su estabilidad, seguridad y economía; previendo la falla del terreno.
El análisis de la estabilidad del suelo comprende los aspectos siguientes:
- Analizar la fuerza actuante sobre él (peso propio del suelo, cargas aplicadas y
otros).
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- Determinar la resistencia del suelo con el objeto de establecer los valores de la
cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo.
La resistencia al corte del suelo, se cuantifica por medio de la cohesión “C” y el ángulo
de fricción interna “ø” para calcular su capacidad de carga.
En un suelo saturado, el esfuerzo normal total en un punto, es la suma del esfuerzo
efectivo y la presión de poro:
σ = σ´ + u
El esfuerzo efectivo σ´ es tomado por los sólidos del suelo, entonces aplicando la
ecuación a la mecánica de suelos tenemos:
Tf = c + ( σ – u ) tan ø = c + σ´ tan ø
donde:
Tf : esfuerzo cortante actuante, final o de falla en Kg / cm²
c : cohesión del suelo en Kg / cm²
σ´: esfuerzo normal actuante en el plano de falla en Kg / cm²
ø : ángulo de fricción interna
El valor de “c” para la arena y limo inorgánico es cero. Para arcillas normalmente
consolidadas, “c” se considera igual a cero. Las arcilla sobreconsolidadas tiene valores
de “c” que son mayores que cero. El ángulo de fricción se llama a veces ángulo de
fricción drenado. Valores típicos del ángulo de fricción se dan en la tabla 1.3; para
arcillas normalmente consolidadas el ángulo de fricción generalmente varía entre 20º y
30º. Para arcillas preconsolidadas, la magnitud del ángulo decrece. Para arcilla naturales
no cementadas, preconsolidadas con presión de preconsolidación menor que
aproximadamente 1,000 KNt / m², la magnitud de “c” cae en el rango de 5 a 15 KNt /
m².
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TABLA 1.3 ANGULO DE FRICCIÓN INTERNA “ø”
Tipo de suelo ø º (grados) Arena: granos redondeados Suelta 27 - 30 Media 30 - 35 Densa 35 - 38 Arena: granos angulares Suelta 30 - 35 Media 35 - 40 Densa 40 - 45 Grava con algo de arena 34 - 48 Arcillas consolidadas 20 - 30 Limos 26 - 35
Braja M. Das, 2001
Deformación: las deformaciones en los suelos aún bajo pequeñas cargas, es mucho
mayor que la de otros materiales; este estado no se produce inmediatamente a la
aplicación de las cargas, si no que se desarrollan con el transcurso del tiempo.
Cuando un suelo se somete a incrementos de esfuerzos totales, como resultado del
aumento de cargas aplicadas (ej: la construcción de un edificio), se produce en él un
exceso de presión intersticial (presión de poros) que se disipa mediante un flujo de agua
hacia el interior, ya que el agua no puede sufrir esfuerzos cortante. La velocidad a la
cual se produce este proceso depende principalmente de la permeabilidad del suelo y la
expulsión del agua, al aplicar la carga al suelo es casi instantánea según su
permeabilidad y se reacomodan las partículas ocasionando fricción interna al interior de
toda la masa sometida.
Lo contrario ocurre con las arcillas saturadas, donde la permeabilidad es muy baja y los
asentamientos ocurren lentamente con el tiempo, ya que el agua tardará mucho en ser
expulsada hacia los límites permeables de la capa arcillosa.
Generalmente, durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas
sólidas sobre un mismo plano horizontal, permanecen esencialmente con la misma
posición. Así, el movimiento de las partículas del suelo, la deformación y el drenaje
puede ocurrir solo en la dirección vertical, por lo que a ésta se le denomina
Consolidación Unidimensional.
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El proceso de consolidación del suelo tiene dos consecuencias importantes:
- Conduce a una reducción de volumen de los poros, y por lo tanto, a una
reducción del volumen total de la masa del suelo, lo cual se manifiesta en
asentamientos de la superficie del terreno natural, en el plano del contacto suelo
– estructura, y por consiguiente en asentamientos de la estructura.
- Durante la disipación del exceso de presión intersticial, el esfuerzo efectivo en la
masa del suelo aumenta y por lo tanto se incrementa su resistencia la esfuerzo
cortante.
De lo anterior se deduce que cuando un suelo se consolida, se produce una disminución
de la relación de vacíos acompañada por el incremento del esfuerzo efectivo.
Con la consolidación se determina la deformación del suelo con el tiempo, por la acción
de las cargas aplicadas en los siguientes casos: cuando hay un cambio de forma y no de
volumen (deformabilidad), y cuando hay un cambio de volumen y no de forma
(compresibilidad).
1.4.5.2- PROPIEDADES FÍSICAS.
Los suelos para cimentaciones se pueden diferenciar entre sí, a través de sus
propiedades físicas en formas cualitativas y cuantitativas como se expresa a
continuación:
Cualitativas: (determinadas por inspección visual y manual)
- Textura: es el grado de finesa y uniformidad del suelo descrito según la
sensación que produce el tacto y por descripción visual.
- Estructura: es la forma que las partículas de suelo se disponen (entre sí) dentro
de la masa del suelo, conformando su esqueleto.
- Consistencia: es el grado de tracción entre las partículas del suelo y la
resistencia ofrecida a las fuerzas que tienden a deformar o a romper en sí el
suelo, se describe como dura, frágil, friable, pegajosa, plástica y blanda.
A los suelos en general a partir de la estructura que tienen en estado natural se le
determina sus propiedades físicas, considerando que están compuestos en tres porciones
fundamentales, una sólida de suelos propiamente dicho, otra líquida en forma de
contenido de agua y otra gaseosa en forma de combinación de distintos gases
acumulados en el subsuelo de la corteza terrestre. Estas porciones son conocidas como
30
las fases fundamentadas de los suelos que se muestran en la Fig. 1.0, para definir las
propiedades físicas. FIG. 1.0
FASES DE LOS SUELOS
donde:
Volumen del aire: Va Peso del aire: Wa = 0 Volumen del agua: Vw Peso del agua: Ww Volumen de vacío: Vv Peso de los sólidos: Ws Volumen de la masa: Vm Peso de la masa del suelo: Wm Volumen de sólido: Vs
Cuantitativas: (determinadas a través de ensayos de laboratorio)
- Porosidad: es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la masa del
suelo, y generalmente se expresa en porcentaje.
n % = Vv x 100 donde: Vm n % : porosidad
Vv : volumen de vacío
Vm : volumen de masa
Relación de vacíos o índice de poros “e”: es la relación entre el volumen de vacíos y
el volumen de los sólidos.
e = Vv donde: Vs e: relación de vacíos
Vv: volumen de vacíos
Vs: volumen de sólidos
31
- Densidad relativa: ya que la porosidad por sí misma no indica si un suelo es
suelto o denso, se recurre a la densidad relativa que es tomada en la información
que al comparar la porosidad de un suelo dado y las porosidades de ese mismo
suelo en su estado más denso y más suelto posible, puede ser expresado
numéricamente por la siguiente expresión:
Dr = eo - e donde:
eo : relación de vacíos del suelo en su estado más suelto, estable. emin: relación de vacíos en el estado más denso que puede obtenerse en el laboratorio. e : relación de vacíos del suelo natural en el terreno.
- Contenido de Humedad: es la cantidad de agua que hay atrapada en un suelo; y se
define como la relación entre peso del agua contenida en el suelo y el peso del suelo
seco expresado en porcentaje, así:
W% = Ww x 100 donde:
Ws W%: contenido de humedad
Ww : peso del agua
Ws : peso del suelo seco
La humedad de los suelos en nuestro medio esta determinada según la época; también
influye el acercamiento con el nivel freático, pero en muchos casos la variación de esta
propiedad solo es en la capa superficial, principalmente en las arcillas. Dentro del
contenido de la humedad podemos encontrar tres importantes características que son:
eo - emin
32
• Grado de saturación: es la relación entre el volumen de el agua contenida en la
muestra de suelo y el volumen de vacíos del suelo.
Gw% = Vw / Vv donde: Gw%: grado de saturación
Vw : volumen de el agua
Vv : volumen de vacíos
• Peso especifico seco: es la relación entre el peso seco de le suelo (secado al horno a
105ºC +/- 5ºC) con respecto a su volumen total.
γd = Ws donde: Vm γd: peso especifico seco
Ws: peso del suelo seco
Vm: volumen total del suelo
• Peso especifico saturado: es la relación entre el peso de el suelo saturado del agua
estado natural y el volumen total del suelo.
γsat = Ws + Ww donde: Vm γsat: peso especifico saturado
Ww: peso del agua
Ws: peso de los sólidos
Vm: volumen total del suelo
33
Las propiedades de algunos suelos típicos según Terzaghi se muestran a continuación
en la siguiente tabla:
TABLA 1.4 PROPIEDADES DE SUELOS TÍPICOS
Descripción Relación de vacíos
"e"
Contenido de
humedad w%
Peso Específico
γ kg/m³
Arena uniforme, suelta 0.8 30 1.45 Arena uniforme, densa 0.45 16 1.8 Arena limosa suelta de grano angular 0.65 25 1.6
Arena limosa densa de grano angular 0.4 15 1.9
Arcilla firme o consolidada 0.6 21 1.7 Arcilla blanda ligeramente orgánica 0.90-1.4 30-50 1.15-1.45
Arcilla blanda muy orgánica 2.5-3.2 90-120 0.6-0.8 Bentonita blanda 5.2 194 1.27
Manual de Fundaciones de las Estructuras. UES, 1996.
1.4.6- CONSISTENCIA DEL SUELO
Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, este puede ser
remodelado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza
cohesiva es debido al agua absorbida que rodea las partículas de arcilla. A principios de
1900, un científico sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un método para describir
la consistencia de los suelos de grano fino con contenido de agua variable. A muy bajo
contenido de agua, el suelo se comporta mas como un sólido frágil. Cuando el
contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto,
dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se
clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos: sólido, semisólido, plástico y
líquido.
El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transición en que el estado sólido a
semisólido tiene lugar, se define como El Límite de Contracción. El contenido de agua
en el punto de transición del estado semisólido a plástico es El Límite Plástico, y de
estado plástico a líquido es El Límite Líquido. Estos límites se conocen también como:
Límites de Atterberg.
34
1.4.6.1- LÌMITE LÌQUIDO (LL)
Es el contenido de humedad expresada en porcentaje con respecto al peso seco de una
muestra de suelo, con el cual el suelo cambia de estado líquido a plástico.
En el año de 1932 Casagrande concluyó que cada golpe de un dispositivo estándar para
límite líquido corresponde a una resistencia cortante del suelo, de aproximadamente
1gr/cm² (0.1 KN/m²). Por consiguiente, el límite líquido de un suelo de grado fino da el
contenido de agua, para el cual la resistencia cortante del suelo es aproximadamente de
25gr/cm² (2.5 KN/m²).
El procedimiento de esta prueba en el laboratorio se realiza de la siguiente manera:
Consiste en una copa de bronce y una base de hule duro, ésta copa, se deja caer sobre la
base por una leva operada por una manivela. Para la prueba se coloca una pasta en la
copa, se corta una ranura en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de
corte estándar, luego con la leva operada por la manivela, se levanta la copa y se deja
caer desde una altura de 10 mm. El contenido de agua, en porcentaje requerido para
cerrar una distancia de 12.7 mm a lo largo del fondo de la ranura a los 25 golpes se
define como el límite líquido. Este procedimiento se amplía en las Normas ASTM D-
4318.
1.4.6.2- LÌMITE PLÀSTICO (LP)
Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la
muestra del suelo secado al horno, para el cual los suelos cohesivos pasan de un estado
semisólido a un estado plástico. La prueba en el laboratorio, se ejecuta formando
cilindros delgados con una muestra de suelo plástico con un diámetro de 3 mm, si el
suelo no se desmorona, se recoge el cilindro, se vuelve a amasar y se rola de nuevo. Se
repite este proceso hasta que el cilindro comienza a desmoronar hasta adquirir un
diámetro de 3 mm. A la humedad que se desmorona el cilindro, se define como el límite
plástico.
El Índice de Plasticidad (IP), es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico
de un suelo:
IP = LL – LP
El procedimiento para la prueba del límite plástico, se da en las Normas ASTM D-4318.
35
1.4.6.3- LÌMITE DE CONTRACCIÓN
Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la
muestra del suelo que pasa por la malla No.40, con el cual una reducción de agua no
ocasiona disminución en volumen del suelo.
La prueba en el laboratorio se determina preparando una muestra de volumen conocido
con una humedad superior al límite líquido, misma que se seca en el horno. Se mide el
peso y el volumen de la muestra secada al horno, se hace un cálculo de la humedad a la
que la muestra seca estaría precisamente saturada. Se considera que esta humedad es el
límite de contracción.
LC = Wi (%) – Δw (%)
donde:
Wi: contenido del agua inicial cuando el suelo se coloca en el recipiente del límite de contracción Δw: cambio en el contenido de agua (es decir entre el contenido de humedad inicial y el contenido de agua en el límite de contracción). El procedimiento de esta prueba, se detalla en las Normas ASTM D-427.
1.4.7- IMPORTANCIA Y REQUISITOS ESENCIALES DEL SUELO
PARA UNA BUENA CIMENTACIÒN
La cimentación comprende la parte que soportará la superestructura, el suelo y la roca
que están debajo, por lo tanto, su proyecto depende de ambos. Si en una estructura se
aprecia que una viga o columna ha resultado débil, puede por lo general, reforzarse;
pero si una cimentación falla y se producen asentamientos u otros problemas que hacen
también fallar a la estructura, poco puede hacerse para mejorar la situación y dicha
estructura quedará inutilizada.
He aquí la importancia que tiene el hecho de que una cimentación ofrezca la seguridad
necesaria para soportar las cargas que se impondrán. Por lo tanto deben tenerse claros
los conceptos sobre la planeación, construcción, funcionamiento y comportamiento de
una cimentación, para poder prever y tomar las medidas necesarias y de esta forma
evitar resultados peligrosos a su posible falla.
36
Una buena cimentación debe cumplir con los requisitos siguientes:
- Debe colocarse a una profundidad adecuada para impedir daños por
levantamiento o socavaciones.
- Debe presentar seguridad contra la falla del suelo.
- Debe asentarse lo mínimo permisible para evitar daños a la estructura.
El primer requisito encierra muchas incertidumbres para el campo de la ingeniería, ya
que durante todo el tiempo que el suelo soportará la superestructura, estará sometido a
diferentes fuerzas naturales y artificiales. Los dos últimos requisitos pueden ser
proporcionados con seguridad por un estudio de suelos.
• Capacidad de carga del suelo: es la capacidad que tiene un suelo para soportar una
carga sin que se desconozca falla dentro de su masa. Puede variar tanto como la
resistencia del suelo así como para la magnitud y distribución de la carga. Se puede
analizarse por medio de distintas teorías como la de Therzaghi, Meyerhof y otros
• Esfuerzo en el suelo: en primer lugar el esfuerzo efectivo vertical inicial en una
masa de suelo, antes de que se construya una estructura, es el debido a su propio
peso, y el cual es igual al peso del suelo menos el esfuerzo neutro. Los cambios en
el esfuerzo neutro pueden tener un papel importante en el asentamiento de una
estructura. En segundo lugar, tenemos los esfuerzos verticales debido a las cargas
en la superficie. Si el suelo tuviere el comportamiento de columnas independientes,
la carga la soportaría solamente las columnas que estarían sometidas a dicha carga,
y las otras permanecerían sin cambio alguno. Pero el suelo es una masa coherente
en que las columnas del suelo están interconectadas elásticamente. Las cargas
aplicadas en un punto se transmiten a través de toda la masa del suelo,
extendiéndose lateralmente a medida que aumenta la profundidad. La
representación de la distribución de esfuerzos puede obtenerse por medio de las
teorías de elasticidad.
Para obtener el esfuerzo de una masa de suelo debido a una carga uniformemente
distribuida en un área rectangular, se investiga el esfuerzo situado a una
profundidad z debajo de una de las esquinas.
37
El valor del esfuerzo a la profundidad z, está dado por la ecuación:
σz = W.Wo
donde: σz: esfuerzo a la profundidad z.
W: carga uniformemente distribuida.
Wo: valor de influencia que depende de m y n.
m: relación entre el ancho del rectángulo y la profundidad z.
n: relación entre el largo del rectángulo y la profundidad z.
Para obtener el esfuerzo a lo largo de una normal que pasa por el centro de un área
circular uniformemente cargada se utiliza la siguiente expresión:
σz = W.Wo
donde: σz: esfuerzo a la profundidad z.
W: carga uniformemente distribuida.
Wo: valor de influencia que depende de la relación entre el radio y
la profundidad.
z: profundidad a la que se determina el esfuerzo.
r: radio del área circular uniformemente cargada.
• Asentamientos: las causas principales de los asentamientos en una estructura, son
la distorsión y consolidación, y están directamente relacionadas con la carga de la
cimentación y se controlan al proyectar la misma. Para cimentaciones en suelos
que se asientan lentamente, como las arcillas saturadas, se usa en el análisis de
asentamiento la carga permanente más cualquier carga accidental que sea
mantenida; pero para suelos de arcilla parcialmente saturada, limos o materiales
orgánicos que generalmente se asientan con rapidez, se debe usar la carga
permanente más toda la carga accidental. En algunos casos es necesario calcular el
asentamiento de cada columna o parte de la estructura, pero en la mayoría es
suficiente conocer las partes más críticas, como en los cimientos para maquinaria,
chimeneas y columnas más cargadas.
Para todos los tipos de cimentaciones sobre arcilla, limos plásticos, los factores de
seguridad deben ser los adecuados para evitar una falla por capacidad de carga.
Sin embargo es igualmente importante hacer una estimación segura de la
38
magnitud del asentamiento diferencial que puede experimentarse en la estructura,
aunque no se exceda el valor de la carga de seguridad. Si el asentamiento
diferencial estimado es excesivo, puede ser necesario cambiar la distribución o el
tipo de cimentación que se está considerando.
En la mayor parte de los casos no se justifica un elevado grado de precisión.
Usualmente puede hacerse una selección correcta del tipo de cimentación, si se
sabe que el asentamiento diferencial será de orden de: 1, 5 y 50 cms.
• Presión admisible del suelo: para el proyecto de una cimentación es necesario
conocer la presión máxima que se puede aplicar al suelo (ver tabla 1.5), sin exceder
la capacidad de carga y sin que se produzcan asentamientos que ponga en peligro
la estructura. Antiguamente se usaban experiencias previas en suelos similares de
la región, información de las cuales se hacían uso; sin embargo este método crea
con frecuencia dificultades debido a que estos datos fueron hechos en tiempos
remotos y en estructuras completamente diferentes a las modernas. Actualmente se
usan las pruebas de carga (Ensayos de Placas, etc) para determinar la deformación
del suelo. TABLA 1.5 PRESIONES ADMISIBLES DE LOS SUELOS
Arena muy suelta Seca 0,0 - 0,50 Kg/cm² Inundada 0,0 - 0,30 Kg/cm² Arena suelta Seca 0,5 - 1,50 Inundada 0,3 - 1,0 Arena firme Seca 1,5 - 3,0 Inundada 1,0 - 2,0 Arena compactada Seca 3,0 - 6,0 Inundada 2,0 - 4,0 Arcilla blanda 0,0 - 0,75 Arcilla firme 0,75 - 1,25 Arcilla resistente 1,25 - 2,5 Arcilla dura 2,50 - 5,0 Roca en capas, laminadas o fracturadas 5,0 - 15,0 Roca masiva con alguna fisura 15,0 - 40,0 Roca masiva sana 40,0 - 100,0
Ingeniería de Cimentaciones. Peck, 1993.
39
1.4.8 CIMENTACIONES
1.4.8.1- GENERALIDADES.
Las estructuras constan de dos partes: la superior o superestructura y la inferior que es la
cimentación o subestructura. La cimentación es el elemento a través del cual se
transmiten los esfuerzos de la superestructura al terreno que debe concebirse de acuerdo
a las características de la obra a construir y del suelo en que se cimentará.
Las cimentaciones deben proporcionar completa seguridad a la estructura, porque de
esto depende la integridad de las vidas de las personas que utilizan el inmueble para
realizar sus actividades, así como también la de los distintos equipos, materiales, valores
y otros, que puedan existir dentro de la estructura.
Es por esto que resulta de vital importancia realizar de forma minuciosa y cuidadosa,
tanto la proyección como la construcción de los elementos que soportarán a la
estructura, evitando que se cometan errores o que se presenten riesgos considerables
sobre la estructura.
Algunos de dichos riesgos se pueden generar por deficiencias o deterioro del cimiento
debidas ha:
- Incorrecto dimensionamiento que por cualquier causa se pueda haber producido.
- Destrucción de los elementos de cimentación que por una agresión bien del
medio o bien externa.
- Deficiente calidad de los materiales aunque el dimensionamiento sea correcto.
- Inadecuada ejecución o deficiente puesta en obra, a pesar de que tanto el
dimensionamiento como los materiales sean los adecuados.
1.4.8.2- DEFINICIÓN DE CIMENTACIONES
La cimentación es la parte de la estructura que permite la transmisión de las cargas que
actúan, hacia el suelo o hacia la roca subyacente. Cuando los suelos reciben las cargas
de la estructura, se comprimen en mayor o en menor grado, y producen asentamientos
de los diferentes elementos de la cimentación y por consiguiente de toda la estructura.
Durante el diseño se deben controlar tanto los asentamientos absolutos como los
asentamientos diferenciales.
40
De manera general, las cimentaciones pueden ser: cimentaciones superficiales y
cimentaciones profundas. A las superficiales también suele dárseles el nombre de
cimentaciones directas, ya que los elementos verticales de la superestructura, como las
columnas, se prolongan hasta el terreno de cimentación descansando directamente sobre
él mediante el ensanchamiento de su sección transversal con el fin de reducir el esfuerzo
que se transmite al suelo. De este tipo son las zapatas aisladas, zapatas corridas, zapatas
combinadas, zapatas de contrabe, losas de cimentación y otras.
El otro tipo, las cimentaciones profundas o llamadas también cimentaciones indirectas,
ya que las cargas de la superestructura son transmitidas por elementos intermedios a
suelos resistentes que se encuentran a cierta profundidad. A este tipo pertenecen los
pilotes, micropilotes, pilas o cilindros y otros.
En realidad, no hay límite preciso en la profundidad de desplante que separe a una
cimentación superficial de una profunda, sin embargo, actualmente se reconoce como
cimentaciones superficiales aquellas en que la profundidad de desplante no es mayor
que dos veces el ancho del cimiento*.
Por lo general se tiene:
Df < 2B = Cimentación superficial
Df > 2B = Cimentación profunda
donde: Df: Profundidad de desplante de la cimentación
B: Dimensión mayor de la cimentación
*Teoría de las Cimentaciones, José A. Cedeno, 2003
41
1.4.8.3- CLASIFICACIÓN DE CIMENTACIONES En este trabajo de investigación se clasificarán las cimentaciones de la siguiente manera: 1.4.8.3.1- CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Las cimentaciones superficiales son construidas normalmente sobre formaciones suaves
localizadas arriba de un estrato rocoso, generalmente estas cimentación son conocidas
como zapatas.
Una Zapata es una ampliación de la base de una columna que tiene por objeto transmitir
las cargas al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo.
Existen diferentes tipos de zapatas, entre los cuales tenemos:
• Zapatas corridas: este tipo de cimentación consta de una franja de losa que corre a
lo largo de la longitud de un muro o pared. El ancho de esta franja es mayor que el
del muro que soporta. La proyección de esta los, es decir, la parte de la franja que
no soporta al muro es analizada como una viga en cantiliver con carga distribuida
igual a la presión ejercida por el suelo sobre el lecho inferior de la placa de la
zapata. Para este tipo de zapatas, el refuerzo principal se coloca de manera
perpendicular al eje del muro.
FIG. 1.1
ZAPATAS CORRIDAS
w = carga distribuida
B = ancho
L = longitud de zapata
d = altura de relleno
Df = nivel de desplante
e = peralte
b = ancho del patin
42
• Zapatas aisladas: las zapatas para columnas individuales son, en general,
cuadradas, se utilizan zapatas rectangulares cuando las restricciones de espacio
obligan a esta selección o si la columna apoyada tiene una sección transversal
rectangular bastante alargada. En su forma más simple, consta de una losa sencilla.
FIG. 1.2 ZAPATAS AISLADAS
P = carga concentrada
B = ancho
e = peralte
d = altura de relleno
Df = nivel de desplante
Las zapatas aisladas debido a las cargas y a las presiones que presentan, se refuerzan
mediante dos capas de acero perpendiculares entre sí y paralelas a los bordes. El área
requerida de contacto se obtiene dividiendo la carga total que incluye el peso de la
zapata que generalmente esta entre un cuatro por ciento y un ocho por ciento de la carga
de la columna, por la presión de contacto seleccionada.
• Zapatas combinadas: este tipo de zapatas se utiliza para soportar 2 o más
columnas, que no necesariamente se encuentran alineadas entre sí, pueden tener
forma rectangular o trapezoidal. También se pueden emplear como soporte para
elementos estructurales que se encuentran a muy poca distancia entre sí.
43
FIG. 1.3 ZAPATAS COMBINADAS
P = carga concentrada
x = distancia entre columnas
e = peralte
d = altura de relleno
Df = nivel de desplante
• Zapata en voladizo: son muy similares a las zapatas corridas, excepto que las
zapatas de la columna exterior y de la columna interior, están unidas por una viga,
la cual es de menor ancho que el de cualquiera de las dos zapatas, a este elemento
se le llama viga de unión. Una de las razones del uso de este elemento es la
reducción de costo, debido a que se necesita menos material que el de una zapata
combinada.
FIG. 1.4 ZAPATAS EN VOLADIZO
P = carga concentrada
e = peralte
x = distancia entre
columnas
Df = nivel de desplante
d = altura de relleno
• Zapatas continuas, reticulares y losas de cimentación: en el caso de columnas
cometidas a cargas considerables, en particular si están soportadas por suelos
44
relativamente blandos o poco uniformes, se recurre a la utilización de
cimentaciones continuas. Estas pueden ser zapatas continuas que soportan todas las
columnas en determinada fila, o dos conjuntos de estas zapatas en franja que se
interceptan formando ángulos rectos, de modo que conformen una cimentación
reticular continua. Para cargas aún mayores o suelos más blandos, las franjas se
traslapan obteniéndose una losa de cimentación.
FIG. 1.5 ZAPATAS CONTINUAS
P = carga concentrada
x = distancia entre
columnas
e = espesor de losa
FACTORES DE DISEÑO DE LAS ZAPATAS
Los tipos mas comunes de cimentaciones superficiales son las zapatas, ya sean corridas,
aisladas o combinadas. La transferencia de esfuerzo básica entre la zapata y el suelo es
por presión de aplastamiento de contacto directo.
Para las cimentaciones del tipo aplastamiento, como el caso de las zapatas, se deben
establecer varias propiedades estructurales de un suelo. Los principales valores son los
siguientes:
• Capacidad de carga admisible: este es el valor máximo admisible para el esfuerzo
de compresión vertical del suelo en la superficie de contacto de los elementos de
apoyo. En la práctica se ha adoptado la costumbre de expresar la capacidad
admisible de carga del terreno como una fracción de la capacidad de carga del
terreno, esto es, dividiendo la capacidad de carga del terreno entre un número
mayor a 1, el cual es denominado Factor de Seguridad (F.S.).
45
Los valores de F.S. pueden variar según: la importancia de la obra, la cantidad y
magnitud de incertidumbres que se manejen. Todo lo anterior se refiere a
problemas de falla en la cimentación; sin embargo, existen casos en donde el
hundimiento representa la condición dominante, y en este caso se deberá usar una
capacidad de carga menor que la admisible para que los hundimientos del suelo
sean compatibles con el funcionamiento de la estructura. Es este valor el que rige
el diseño de las zapatas y se define normalmente como qu.
TABLA 1.6 CORRELACION ENTRE LA RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN Y LA CAPACIDAD DE CARGA
Estudio de Pilotes en Cimentaciones. UCA 1985.
• Compresibilidad: ésta es la cantidad determinada previamente, de consolidación
volumétrica que determina el asentamiento de la cimentación. La cuantificación se
hace, por lo general, en términos de la dimensión real de asentamiento vertical
establecido previamente para la cimentación.
• Presión lateral activa: ésta es la resistencia horizontal ejercida contra estructuras
de contención, concebida en su forma más simple como un equivalente a la presión
de fluidos. La cuantificación se hace en términos de una densidad para el fluido,
equivalente dado en valor de peso unitario real o como un porcentaje del peso
unitario del suelo.
El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.6):
sen ø = CD = ________ AC AO + OC
N qu (Kg/cm²) 10 0,73-0,97 20 1,90-1,94 30 2,91-3,40 40 3,89-4,85 50 4,85-5,82
CD
46
b
Esfuerzo normal
D´
Ø Ø
cOσ´a Ko σ´o σ´o
pero: CD = radio del círculo de falla = σ´o - σ´a
2 AO = c cot ø OC = σ´o + σ´a
2 Por lo que la razón de σ´a respecto a σ´o se llama coeficiente de presión activa de Rankine:
Ka = σ´a = tan² (45 – ø/2)
σ´o
donde: σ´o: presión efectiva vertical σ´a: presión activa de Rankine ø: ángulo
FIG. 1.6 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN ACTIVA
• Presión lateral pasiva: ésta es la resistencia horizontal ofrecida por el suelo a
fuerzas que se aplican contra la masa del suelo. También se define como función
que varía linealmente con la profundidad a la manera de una presión de fluido. La
cuantificación se hace por lo general en términos de un aumento de presión
específica por unidad de profundidad.
C
Tf = c + σ´ tan øD
Esfuerzo cortante
A
47
b
Esfuerzo normal
D´
Ø Ø
cOσ´a Ko σ´o σ´o
σ´p
El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.4.8.6), por
lo que la razón de σ´p respecto a σ´o se llama coeficiente de presión pasiva de Rankine:
Kp = σ´p = tan² (45 – ø/2) σ´o
donde:
σ´o: presión efectiva vertical σ´p: presión pasiva de Rankine ø: ángulo
FIG. 1.7 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN PASIVA
• Resistencia a la fricción: ésta es la resistencia al deslizamiento a lo largo de la
cara de contacto de apoyo de una zapata. Para suelos no cohesivos está dada,
comúnmente, como un coeficiente de fricción para multiplicarlo por la fuerza de
compresión. Siempre que sea posible, se deben establecer límites de esfuerzo como
resultado de una cuidadosa investigación y de las recomendaciones de un ingeniero
especializado en suelos. La mayoría de los reglamentos permiten el uso de valores
presumibles para diseño.
C
Tf = c + σ´ tan ø
DEsfuerzo cortante
A
48
CAPACIDAD DE CARGA DE LAS ZAPATAS
Cuando se aplican cargas a una cimentación de apoyo, se generan esfuerzos en la masa
del suelo. Para concebir estos esfuerzos y deformaciones que les acompañan, es
necesario considerar la naturaleza de los movimientos de la cimentación y de la masa
del suelo. A través de los años, numerosos investigadores han tratado de crear una
metodología para poder predecir el comportamiento interactivo entre el suelo y la
estructura, así como también la capacidad resistente a compresión de los suelos.
A continuación se presentan algunas de las teorías más usadas, se presentan únicamente
generalidades:
• Ecuación de capacidad de carga de Terzaghi: en 1943 fue el primero en
presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga del suelo y de las
cimentaciones. Sus ecuaciones se desprenden de una adaptación de la teoría
desarrollada por Prandtl en 1920, en la cual se analizaba, mediante la teoría
plástica, el efecto de penetración generado por una base en un material o suelo
suave. Esta teoría está desarrollada para estudiar principalmente cimentaciones
superficiales. La ecuación de Terzaghi es fundamental y con ella se puede
calcular la capacidad de carga de una cimentación:
qu = cNc + γ1DfNq + 1/2γ2BNγ
donde: qu: capacidad de carga del suelo c: cohesión del suelo γ1: peso específico del suelo arriba del nivel de desplante Df: profundidad de desplante de la cimentación γ2: peso específico del suelo abajo del nivel de desplante B: ancho de la zapata NcNq Nγ: factores de capacidad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo Nq = tan² (45 + φ/2)e^πtanφ Nc = (Nq + 1)cotφ Nγ = (2Nq + 1)tanφ
49
El valor que rige el diseño de las cimentaciones es la capacidad de carga admisible, qu,
dado que será mucho menor que el valor al cual falla el suelo, dando márgenes de
seguridad necesarios para cubrir todas las incertidumbres que pueda presentar el terreno,
las acciones que provoquen las cargas actuantes, y en general, los problemas que se
presenten durante la construcción.
Se ha observado por el comportamiento de las cimentaciones, que la falla por la
capacidad de carga de las mismas ocurre como resultado de la rotura del suelo por corte.
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO ZAPATAS
La distribución de estas presiones en la superficie de contacto entre la cimentación y el
suelo es muy variable y muy sensible a las rigideces relativas del suelo, a la cimentación
y a las características propias de la estructura del suelo. Una solución exacta al
problema del cálculo de la distribución de presiones se obtiene para un modelo en que el
suelo se considera como un espacio semi-infinito homogéneo, isótropo y de
comportamiento lineal, bajo una zapata infinitamente rígida.
La distribución de presiones en una zapata en realidad resulta uniforme ya que las
concentraciones de presión en los extremos se reducen por el comportamiento no lineal
del suelo y porque el borde es desplazado ligeramente hacia fuera. A medida que la
magnitud de la carga sobre la zapata crece, la zona de plastificación del suelo se
propaga de los extremos hacia el centro y las presiones son cada vez más uniformes.
FIG. 1.8
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO COHESIVO BAJO UNA ZAPATA RÍGIDA
50
donde:
1. Distribución teórica para espacio elástico 2. Distribución real para esfuerzos bajos 3. Distribución real para esfuerzos altos 4. Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b
En una zapata rígida sobre suelo cohesivo (de tipo arcilloso), las distorsiones son
radicalmente distintas sobre un suelo granular (arenas o gravas) en que la rigidez
aumenta con el confinamiento al que están sometidas las partículas del suelo: así, la
rigidez es prácticamente nula en los extremos de las zapatas donde ocurren
desplazamientos del suelo hacia fuera y, por tanto, las presiones tienden a cero. Por el
contrario, las presiones son máximas en el centro donde el confinamiento de las
partículas también es máximo.
Cuando el nivel de presiones alcanza valores altos, existe plastificación en las zonas
sometidas a mayores esfuerzos, el centro de la zapata, y las presiones tienden a
uniformarse. FIG. 1.9
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO GRANULAR BAJO UNA ZAPATA RÌGIDA
donde:
1. Distribución teórica para espacio eslástico
2. Distribución real para esfuerzos bajos
3. Distribución real para esfurzos altos
4. Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b
51
Cuando el elemento de cimentación es flexible, su deformación hace que se reduzcan
las presiones en sus extremos dando lugar a las distribuciones uniformes:
FIG. 1.10
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO UNA ZAPATA FLEXIBLE
1 = suelo cohesivo 2 = suelo granular
PRESIONES DE DISEÑO, NETA Y ACTUANTE
La presión de diseño, se define como el valor del esfuerzo al cual es suelo falla en corte
al aplicar las cargas sobre la zapata, por lo general, es este valor el que rige el diseño de
las cimentaciones debido a que el valor real es menor a la capacidad de carga admisible.
En las siguientes páginas se denotará la presión de diseño en el terreno por la expresión
ft.
La presión neta, se define como el esfuerzo transmitido al suelo generado por el peso
propio de la zapata, el volumen del suelo sobre la cara superior de la zapata, esta presión
debe ser lo suficientemente grande para contrarrestar o equilibrar las fuerzas producidas
por el suelo y por la zapata. La presión neta se denota como rn, y se puede obtener
mediante la siguiente expresión:
rn = ft – Fc ( γt ( Df – h ) + γc h )
donde:
rn: Presión neta ft: Presión de diseño del terreno Fc: Factor de carga γc: Densidad del concreto reforzado h: Peralte de la zapata
52
Df : Profundidad de desplante de la zapata γt: Densidad del terreno
La presión actuante, se puede definir como la presión que ejerce el suelo para
equilibrar la carga aplicada sobre la cimentación bajo un área determinada.
Esta presión actuante se denota como ra, y se obtiene mediante la siguiente expresión:
ra = Pc
Az
donde:
ra: Presión actuante Pc : Carga factorizada sobre la zapata Az: Área de la zapata
FIG. 1.11 PRESIONES DE DISEÑO NETA Y ACTUANTE
a).
53
1.4.8.3.2- CIMENTACIONES SEMIPROFUNDAS
1.4.8.3.2.1- MICROPILOTES
La primera referencia que se ha encontrado de estos pilotes está en el libro de Sansoni
(1963). Describe los micropilotes como: pilotes de pequeños diámetros, ejecutados con
perforación y rotación y una tubería de entubación de unos 100 mm de diámetro.
Después se coloca una armadura central (de una o más barras) y se realiza el colado
manteniendo la presión del mortero en cabeza con aire comprimido, mientras se extrae
la tubería de entibación. Se utiliza una mezcla con dosificación elevada de cemento y
aditivos.
Este tipo de cimentaciones no está claramente definido, ya que teóricamente solo
existen dos tipos de cimentaciones: superficiales y profundas.
54
Para efectos de aplicabilidad de esta investigación clasificaremos en este tipo de
cimentaciones los Micropilotes, aunque algunos autores los describen como
cimentaciones semiprofundas.
El término “micropilote” es utilizado casi universalmente pero entendido como
refiriéndose a pilotes ejecutados con técnicas diferentes. La confusión procede de que
inicialmente los micropilotes constituyeron un procedimiento de construcción
específico, patentado en Italia en 1950 a 1952 y en muchos otros países por la empresa
FONDEDILE, patentes que, en general expiraron en la década de 1970 – 80.
Los micropilotes se usan cada vez más. Hay cuatro áreas de utilización:
- Como cimentación y/o recalce de estructuras, trabajando básicamente a
compresión.
- Constituyendo cortinas o muros discontinuos para contención de terrenos o
excavaciones profundas.
- Trabajando a flexión, tracción o flexotracción en la corrección de corrimientos o
deslizamientos.
- En paraguas de presostenimiento de túneles tanto en las bocas (es ya una
práctica común en la mayoría de los túneles) como para el paso del terreno muy
difíciles o para la recuperación de tramos con hundimiento.
Se estudiarán los micropilotes como cimentación y recalce de estructuras, ya que su
utilización es la más importante para nuestra investigación de aplicabilidad de
cimentaciones en edificaciones.
Ventajas del uso de micropilotes en recalces de estructuras:
- Los equipos son de tamaño reducido y pueden trabajar incluso dentro de un
sótano.
- Puede instalarse en cualquier tipo de terreno y atravesar, si es necesario,
inclusiones duras (como por ejemplo elementos de cimentaciones antiguas de
hormigón o mampostería).
- Su perforación es muy similar a la de un sondeo, lo que permite detectar,
eventuales cavidades (y en su caso rellenarlas a través de perforación).
- Dada su esbeltez trabaja casi exclusivamente por fuste por lo que no es preciso
que la punta se apoye en un estrato mas compacto.
55
- La realización de las perforaciones no transmiten sacudidas a las estructuras a
recalzar ni a edificios adyacentes.
- Los micropilotes pueden realizarse casi en perfecta adherencia con otros
edificios y estructura.
- Como se trata de un elemento de construcción sencilla el proyecto puede ser
flexible y ajustarse a las posibles condiciones del terreno (y de la cimentación) si
son cambiantes.
Desventajas del uso de los micropilotes:
- La relación entre el coste y la carga admitida es mayor en un micropilote que en
un pilote.
- Muchos procesos de cálculo son empíricos y solo se pueden contrastar con
pruebas de carga si se pretende aprovechar al máximo la resistencia del
micropilote.
- La calidad depende mucho de que el proceso de ejecución sea riguroso.
FACTORES DE DISEÑO DE LOS MICROPILOTES
Para el cálculo de la Carga Admisible a Compresión de los micropilotes, se mencionan
los siguientes métodos:
Método Tradicional para micropilotes:
Este método fue propuesto por Lizzi (1985), que es el siguiente:
Pult = π D L K I
donde: Pult: carga última del micropilote a compresión (no incluye coeficientes de seguridad ACI-318R-2000, secc.9.3).
D: diámetro nominal L: longitud K: coeficiente que representa el rozamiento por el fuste. I: coeficiente adimensional que depende del diámetro.
56
TABLA 1.7 COEFICIENTES DE LA FORMULA DE LIZZI,1985
SUELO K (Kpa) DIÁMETRO (cm) I
Blando 50 10 1.00 Suelto 100 15 0.90 De compacidad media 150 20 0.85 Muy compacto, grava, arena 200 25 0.80
Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003.
Con el método se desprecia la resistencia por la punta y la resistencia por el fuste
utilizada puede excederse del valor máximo que suele admitirse para los pilotes
convencionales, que es de 100 Kpa. La diferencia es achacada por Lizzi al contacto
estrecho entre el pilote, el terreno y el diámetro real, mayor que el nominal. Con este
método se ha calculado la intensa mayoría de los micropilotes.
Método Convencional: En rigor la resistencia de un micropilote vale:
PN = 1 ( π D L qs 1 + πD² qp 1 ) F1 F2 4 F3 donde: PN: carga nominal admisible del pilote F1: factor de mayorización de cargas F2F3: coeficientes de seguridad de minorización de resistencias, fuste y punta D: diámetro nominal (de perforación) L: longitud qs: rozamiento por el fuste qp: carga de hundimiento por la punta Los valores de los coeficientes de seguridad propuestos por Oteo (2001) son:
TABLA 1.8 VALORES DE COEFICIENTE F1 (OTEO, 2001)
F1 RESPONSABILIDAD IMPORTANCIA ECONÓMICA
1.25 Poca Poca 1.40 Poca Bastante 1.50 Grande Grande
F2 = 1.5 a 2 F3 = 3 a 4 Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003.
57
En realidad la resistencia por la punta es mucho menor que la resistencia por el fuste, y
en pilotes largos puede no llegar a movilizarse (ver en apartado de Distribución de
carga). Por lo tanto puede despreciarse.
La resistencia por el fuste admisible en cada estrato “i” vale:
qsia = c´i + ( σ´vio + σ´iny ) tanθ Fc F φ donde: qsia: resistencia admisible c´i: cohesión efectiva σ´vio: presión vertical efectiva antes de la construcción del micropilote. σ´iny: sobrepresión de inyección efectiva φi: ángulo de rozamiento efectivo F φ: coeficiente de seguridad parcial de minorización del rozamiento tgφ
En síntesis la resistencia del micropilote vale:
Pn = 1 Σ π D Li qsi
F1
En general se pueden adoptarse los siguientes valores de los coeficientes de seguridad
para cohesión y rozamiento (Oteo, 2003).
Fc = 1.25 a 1.60 y Fφ = 1.25 a 1.35
En la práctica el valor de c´ será muy bajo tanto en arenas como en arcillas normalmente
consolidadas, y en cambio será mas significativo para los tramos de micropilotes que
atraviesen arcillas muy preconsolidadas o rocas.
RESISTENCIAS ÚLTIMAS POR FUSTE
A continuación se incluye una tabla según la guía FHWA (Federal Highway
Adminstration, 1997), con las resistencias para el fuste de un micropilote:
58
TABLA 1.9 RESISTENCIA ÚLTIMA qs, POR FUSTE EN Kpa
Resistencia última por fuste Descripción del Terreno
Tipo A Tipo B Tipo C Tipo D Limo y arcilla (con algo de arena) (blando, plasticidad media) 35-70 35-95 50-120 50-145 Limo y arcilla (con algo de arena) (rígido, denso a muy denso) 50-120 70-190 95-190 95-190 Arena (con algo de limo) (fina, suelta a medio densa) 70-145 70-190 95-190 95-240 Arena (con algo de limo y grava) (fina a gruesa, medio densa a muy densa) 95-215 120-360 145-360 145-285 Grava (con algo de arena) (a medio densa a muy densa) 95-265 120-360 145-360 145-385 Till glaciar (limo, arena y grava) (medio denso a denso con cementado) 95-190 95-310 120-310 120-335
Esquistos blandos (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 205-550 - - -
Pizarras y esquistos duros (moderadamente fracturado, casi sin meteorización) 515-1380 - - -
Calizas (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 1035-2070 - - -
Arenisca (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 520-1725 - - -
Granito y basalto (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 1380-4200 - - -
Uso en Recalces de Micropilotes, Manuel Ruíz (2003)
Tipo A: Inyección por gravedad solamente Tipo B: Inyección a presión, en retirada Tipo C: Inyección primaria por gravedad y una fase de inyección secundaria global a presión Tipo D: Inyección primaria por gravedad y una o mas fases de inyección secundaria global a presión
Debe observarse que es posible y bastante corriente, utilizar el método B en rocas
fracturadas en el tramo final de un micropilote que atraviesa rellenos y/o suelos blandos.
En ese caso el terreno tiene una resistencia última del orden del 50% mas que la que
correspondería a pilotes ejecutados por el método A.
ASENTAMIENTO DE LA RESISTENCIA POR EL FUSTE
Suele admitirse que la resistencia por el fuste de un micropilote se moviliza totalmente
con deformaciones verticales del orden del 0.5% al 1.0% del diámetro del micropilote.
Puesto que los micropilotes tienen diámetros inferiores a 25 cms, los asentamientos
necesarios para movilizar la resistencia por el fuste de 2 mm. Las pruebas de carga
confirman que los asentamientos necesarios para movilizar totalmente la resistencia
pueden ser algo mayores, pero siempre de orden milimétrico.
59
En la Fig. 1.12 (Oteo, 2001), se comparan varias pruebas de carga en micropilotes.
Puede observarse que los asentamientos pueden llegar a ser del orden del 10.0% del
diámetro. Los valores de la resistencia unitaria por el fuste superan siempre los 100 KN,
que es el tope marcado por las inducciones y la práctica de los pilotes de
desplazamiento; el incremento de resistencia por el fuste tiene dos causas:
a) El diámetro real es mayor que el nominal y la resistencia por el fuste suele
calcularse a partir del diámetro nominal.
b) La presión / inyección, consolidan el terreno en el perímetro de la zona del
bulbo. FIG. 1.12
COMPARACIÓN DE MICROPILOTES EN VARIOS TIPOS DE SUELOS
1.4.8.3.3 CIMENTACIONES PROFUNDAS
1.4.8.3.3.1 PILOTES
Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y madera usados para
construir cimentaciones, que son profundas y más caras que las cimentaciones
superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes frecuentemente es necesario para
garantizar la seguridad estructural. Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar,
60
que generalmente tienen un diámetro mayor a la de los pilotes con o sin refuerzo de
acero y con o sin un fondo ampliado.
Las cimentaciones con pilotes se requieren en circunstancias especiales, entre las cuales
tenemos:
- Cuando el estrato superior del suelo es altamente compresible y demasiado débil
para soportar las cargas transmitidas por la estructura, se usan pilotes para
transmitir las cargas al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más
fuerte.
- Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes
resisten por fricción mientras soportan a una carga vertical transmitidas por la
estructura.
- En muchos casos, los suelos en el sitio de una estructura propuesta pueden ser
expansivos y colapsables y se pueden extender hasta una gran profundidad
debajo de la superficie del terreno. Estos suelos se expanden y contraen
conforme al contenido de agua (aumentan o disminuyen), y la presión de
expansión de tales suelos es considerable.
- Las cimentaciones de algunas estructuras como torres de transmisión,
plataformas fuera de la costa y losas de sótano debajo del nivel freático son
sometidas a fuerzas de levantamiento, recurriendo al uso de los pilotes.
- Los estribos y pilas de puentes son construidos usualmente sobre cimentaciones
con pilotes para evitar la posible perdida de capacidad de carga que una
cimentación superficial podría padecer debido a la erosión del suelo en la
superficie del terreno.
PARTES DE UN PILOTE
Los pilotes generalmente están construidos por tres partes:
• Cabeza: parte superior del pilote, es la que recibe los golpes sucesivos del maso
para su hincado.
• Fuste: es el cuerpo del pilote; es una columna estructural que está fija a la punta
y generalmente empotrado en la cabeza.
61
• Punta: es la parte final del contacto permanente con el suelo y se protege con un
casco metálico.
CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES
• Según su forma de trabajo:
- De punta: desarrollan su capacidad soportante apoyándose directamente en un
estrato resistente.
- De fricción: desarrollan su capacidad de carga por la fricción lateral que generan
contra el suelo que lo rodea.
• Según el material de los que están construidos:
- Concreto (prefabricados e hincados y colados “in situ”)
- Acero
- Madera
SEGÚN SU FORMA DE TRABAJO:
a) Pilotes que trabajan de Punta:
Es cuando un pilote trabaja principalmente como una columna que soporta una
carga en su extremo superior y apoya su punta sobre un estrato firme (ver Fig. 1.13
a y 1.13 b). Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de capas
de roca o material rocoso en un sitio dentro de una profundidad razonable, los
pilotes se pueden extender hasta el estrato rocoso y si en vez de un lecho de roca se
encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad
razonable, los pilotes se extenderán unos pocos metros dentro del estrato duro.
Entonces la carga última de los pilotes se expresa como:
Qu = Qp + Qs
donde:
Qu : carga última del pilote
Qp: carga tomada en la punta del pilote
62
Qs: carga tomada por la fricción superficial desarrollada lateralmente en el pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote) Si Qs es muy pequeña, entonces: Qu = Qp Ecuación generad de Meyerhof (1976) para el cálculo de capacidad de carga por punta: Qp = Ap (cNc* + q´Nq* )…………… Ecuación Meyerhof donde:
Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote
c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de seguridad de carga, a partir del ángulo de fricción interna del suelo (φ).
TABLA 1.10 FACTORES DE SEGURIDAD DE CARGA, MEYERHOF
φ Nc Nq Nγ Nq/Nc tan φ φ Nc Nq Nγ Nq/Nc tan φ
0 5,14 1,00 0,00 0,20 0,00 26 22,25 11,85 12,54 0,53 0,49 1 5,38 1,09 0,07 0,20 0,02 27 23,94 13,20 14,47 0,55 0,51 2 5,63 1,20 0,15 0,21 0,03 28 25,80 14,72 16,72 0,57 0,53 3 5,90 1,31 0,24 0,22 0,05 29 27,86 16,44 19,34 0,59 0,55 4 6,19 1,43 0,34 0,23 0,07 30 30,14 18,40 22,40 0,61 0,58 5 6,49 1,57 0,45 0,24 0,09 31 32,67 20,63 25,99 0,63 0,60 6 6,81 1,72 0,57 0,25 0,11 32 35,49 23,18 30,22 0,65 0,62 7 7,16 1,88 0,71 0,26 0,12 33 38,64 26,09 35,19 0,68 0,65 8 7,53 2,06 0,86 0,27 0,14 34 42,16 29,44 41,06 0,70 0,67 9 7,92 2,25 1,03 0,28 0,16 35 46,12 33,30 48,03 0,72 0,70 10 8,35 2,47 1,22 0,30 0,48 36 50,59 37,75 56,31 0,75 0,73 11 8,80 2,71 1,44 0,31 0,19 37 55,63 42,92 66,19 0,77 0,75 12 9,28 2,97 1,69 0,32 0,21 38 61,35 48,93 78,03 0,80 0,78 13 9,81 3,26 1,97 0,33 0,23 39 67,87 55,96 92,25 0,82 0,81 14 10,37 3,59 2,29 0,35 0,25 40 75,31 64,20 109,41 0,85 0,84 15 10,98 3,94 2,65 0,36 0,27 41 83,86 73,90 130,22 0,88 0,87 16 11,63 4,34 3,06 0,37 0,29 42 93,71 85,38 155,55 0,91 0,90 17 12,34 4,77 3,53 0,39 0,31 43 105,11 99,02 186,54 0,94 0,93 18 13,10 5,26 4,07 0,40 0,32 44 118,37 115,31 224,64 0,97 0,97 19 13,93 5,80 4,68 0,42 0,34 45 133,88 134,88 271,76 1,01 1,00 20 14,83 6,40 5,39 0,43 0,36 46 152,10 158,51 330,35 1,04 1,04 21 15,82 7,07 6,20 0,45 0,38 47 173,64 187,21 403,67 1,08 1,07 22 16,88 7,82 7,13 0,46 0,40 48 199,26 222,31 496,01 1,12 1,11 23 18,05 8,66 8,20 0,48 0,42 49 229,93 265,51 613,16 1,15 1,15 24 19,32 9,60 9,44 0,50 0,45 50 266,89 319,07 762,89 1,20 1,19 25 20,72 10,66 10,88 0,51 0,47
Braja M. Das, 2001
63
Ecuación general de capacidad de carga del pilote según Terzaghi: Rp = B² (cNc* + γDfNq* + 0.4γBNγ*)………….Pilotes cuadrados Rp = Πr² (cNc* + γDfNq* + 0.6rγNγ*)…………..Pilotes circulares
donde: Rp: resistencia del pilote
c: cohesión del suelo γ: peso específico del suelo Df: profundidad de desplante de la cimentación B: base del pilote Πr²: área del pilote NcNq Nγ: factores de seguridad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo
b) Pilotes que trabajan por Fricción:
Estos trabajan cuando no se tiene un estrato de roca o de material rocoso a una
profundidad considerable. Estos pilotes resultan muy largos y antieconómicos, para
este tipo de condición del subsuelo, los pilotes se hincan a través de materiales más
blandos a profundidades específicas. La carga última de estos pilotes es expresada
por la ecuación:
Qu = Qs
Esta fórmula se expresaría así, si el valor de Qp es relativamente pequeño (ver figura
1.13 c).
Ecuación general para el cálculo de resistencia por fricción:
Qs = Σ p ΔLf donde:
Qs: carga tomada por la fricción p: perímetro de la sección del pilote.
ΔL: longitud incremental del pilote sobre la cual “p” y “f” se consideran ctes. F: resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad.
64
FIG. 1.13 DISTRIBUCIÓN DE CAPACIDAD DE CARGA
FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL
Para contar con una razonable seguridad en los diseños y construcción de cimientos
profundos, que aseguren que la estructura esté libre de daños, pérdidas y riesgos
inaceptables. En los análisis geotécnicos de estabilidad se introduce el concepto de
Factor de Seguridad Global, este factor se puede definir como la relación de la
resistencia de la cimentación dividida entre los efectos de las cargas aplicadas.
Los principales parámetros que afectan el margen de seguridad en la ingeniería de
cimentaciones son: la variabilidad de carga, el efecto de éstas y la resistencia del suelo
(Meyerhof 1970). Se acostumbran rangos de factor de seguridad global comprendidos
entre 2 y 3; el valor superior se aplica a condiciones de carga y de servicios normales,
mientras que el menor al caso de cargas máximas y en las peores condiciones
ambientales.
65
Según el enfoque de factor de seguridad global, para obtener la carga admisible de un
pilote o pila, se divide la resistencia o capacidad de carga última entre un determinado
factor de seguridad.
Pueden requerirse factores de seguridad grandes cuando las condiciones del suelo son
muy variables o si la investigación del subsuelo es insuficiente, así como para el caso de
pilotes en arcillas o de elementos en suelos arenosos o limos sueltos, donde la capacidad
de carga puede disminuir con el tiempo.
Qadm = Qp / FS
Donde:
Qadm : capacidad de carga admisible del pilote.
Qp: resistencia en la punta del pilote
FS: Factor de seguridad
SEGÚN EL MATERIAL DE LOS QUE ESTÁN CONSTRUIDOS:
PILOTES DE CONCRETO
Se utilizan para soportar cargas pesadas, cuando se quiere que tenga una larga duración
y hay temor de que haya variaciones en el nivel del agua subterránea. En relación a esto
último esta es una de sus cualidades que puede emplearse por encima del nivel freático,
en esta forma se logra a veces un ahorro notable, porque se reduce el volumen de la
excavación y el de concreto a poner en su fundación.
Su longitud es variable y la sección puede ser cuadrada, octogonal, rectangular y
circular.
Por la forma de colocación y construcción, los pilotes de concreto pueden ser:
prefabricados e hincados ó colados en “in situ”.
- Pilotes prefabricados e hincados: Pueden hincarse en estratos compactos, sin peligro
de rotura, salvo casos relativamente raros (terrenos de alubión con grandes piedras o
terrenos arenosos muy compactos que exigen una perforación del pilote).
66
Características Generales:
Los pilotes de concreto prefabricados e hincados generalmente pueden construirse de
formas circulares, cuadradas y hexagonales (Fig. 1.14); la longitud de estos puede variar
hasta alcanzar los 30 mts y sobrepasarlos ya que la longitud depende esencialmente de
la naturaleza del terreno en que han de ser hincados y de la carga que deben soportar.
Sus dimensiones trasversales varían de 0.30 a 0.60 mts, por su peso que es muy
considerable, pueden hincarse verticales o inclinados.
Se admite como longitud limite 50 veces la dimensión transversal más pequeña; pero se
puede llegar hasta 80 veces esta dimensión.
L = 80 b
Es necesario disponer de aparatos de mantenimiento y de maquinarias y equipo
apropiados para la hinca de los pilotes, de lo contrario es necesario proceder al
empalmado, operación que consiste un pilote a continuación de otro (caso que es remoto
ya que se cuenta en nuestro país con la maquinaria y el equipo necesario, generalmente
las profundidades en nuestro país oscilan entre 20 mts)
Los pilotes prefabricados también son Preforzados usando acero de alta resistencia. La
resistencia última del acero es aproximadamente 1,800 MN/m². Durante el colado de
estos pilotes, el acero es pretensado desde 900 a 1,300 MN/m², y se vierte el concreto
alrededor de ellos. Después del curado se cortan, produciendo así una fuerza de
compresión sobre la sección del pilote.
Fig. 1.14 SECCION TRANSVERSAL DE PILOTES DE CONCRETO
67
Ventajas de los pilotes prefabricados e hincados.
- Presentan resistencia a los ataques químicos y biológicos.
- Capacidad soportante muy alta.
- Si el estrato en que se hincan los pilotes es duro, se podrá hacer uso de inyección
de agua, a lo largo de el centro del pilote se colocara un tubo que permita el paso
del liquido.
- Como son pilotes hincados, en un estrato de suelo friccionante pueden llegar a
alcanzar elevadas resistencias por fricción.
- Puede ahorrarse tiempo y dinero, pues su hincado es rápido.
- Son inherentemente duraderos, salvo en el caso de que el suelo contenga ácidos.
- Resistencia a la flexión.
Desventajas de los pilotes prefabricados e hincados.
- Es difícil aumentar o reducir su largo.
- Los tamaños grandes precisan para su manejo e hincado, un equipo y maquinaria
pesada y cara.
- El comienzo de una obra puede demorarse al no ser posible obtener los pilotes
mediante compra.
- Las posibles roturas que se presentan en el transporte, manejo e hincado,
constituyen una amenaza de atraso de la construcción.
- El transporte puede ser costoso, principalmente cuando el numero de pilotes a
emplear es pequeño y hay que organizar un equipo especial para cargar y
descarga de estos elementos.
- Pilotes colados “in situ”: son pilotes excavados en los que se abre un agujero con una
perforadora ya sea la dimensión que se necesite para luego proceder a la colocación de
el acero estructural y luego se llena este con concreto (ver fig. 1.15). La forma de
soportar las cargas puede ser por fricción o de punta.
Características Generales:
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Existen una gran variedad de tipos de pilotes colados “in situ” la gran mayoría sujetos a
patentes. En general podemos decir que estos tienen las siguientes ventajas:
- No necesitan espacio de almacenaje.
- No necesitan equipo y maquinaria para su manejo.
- No sufren daños por maniobras de manejo e hincado.
Sin embargo estos pilotes deben estar sometidos a una constante supervisión por parte
del Ingeniero o el encargado de la obra, pues deben tomarse ciertas precauciones en el
colado y la colocación de la armadura, para lograr que este alcance su resistencia de
diseño.
Los pilotes colados “in situ” se dividen en dos tipos:
1- Con tubo recuperable o sin ademado permanente.
2- Con tubo o ademado permanente.
Los pilotes con tubos recuperables se usan en los siguientes casos:
• Cuando la excavación no corre peligro de cerrarse o derrumbarse.
• Donde el agua no llega a la excavación.
• Cuando no se perjudique a un pilote recién construidos, al hacer las
excavaciones para los pilotes vecinos.
Los pilotes con tubos permanentes se usan en los lugares donde no existen los
inconvenientes antes mencionados.
El ademe permanente es generalmente de lámina delgada corrugada, en Bogotá
(Colombia) se han usado tubos de asbesto cemento, en nuestro país se utilizan tubos de
hierro galvanizados y tubos de PVC.
A continuación se describen los tipos más comunes de pilotes utilizados, que se
muestran en la siguiente tabla 1.11:
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TABLA 1.11 DIFERENTES TIPOS DE PILOTE DE CONCRETO
TIPOS DE PILOTES DESCRIPCION VENTAJAS DESVENTAJAS UTILIZACION
SIN ADEME PERMANENTE
Pilotes mega
Formados por la unión de elementos prefabricados de concreto
Puede usarse en espacios limitados y con equipo reducido
Son patentados Son utilizados para recalces.
Pilotes simplex
Formado con tubo de punta irrecuperable y de concreto, se saca después del tubo
Como no va armado puede ser mas económico
Por no tener armadura puede fallar por tensión
Se usan en edificios pequeños
Pilotes simplex de bulbo
Se construye valiéndose de tubo recuperable formando un bulbo de concreto en la punta
Trabaja bien cuando interviene la fricción negativa
Por ser patentados hay que pagar el derecho de usarlos
Se utilizan sobretodo cuando el pilote trabaja por punta
Pilotes express
Se fabrica usando un tubo recuperable, el concreto se comprime con mazo manejado con bomba
Es muy resistente. Se necesita equipo adicional para su construcción
Pueden usarse en una variedad de edificaciones
Pilote vibro
Se hinca el tubo luego se rellena de concreto, se saca el tubo con equipo especial
El concreto para este tipo se vibra.
Se necesita equipo especial para su construcción
Como lleva armadura es muy resistente y puede usarse en edificaciones grandes
Pilote franki
Se hinca el tubo, se concretea la base ensanchada, se rellena el fuste y se extrae el tubo que tiene un tapón
Es resistente por su base ensanchada Son patentados. Es usado en diversidad
de edificaciones
CON ADEME PERMANENTE
Pilote button bottom
Se hinca el tubo hasta el lechazo con punta de hormigón prefabricado, se rellena el tubo y se extrae
Se hincan los tubos en terrenos rocosos
Como son hincados producen vibraciones que pueden dañar a los pilotes adyacentes
Se utiliza para atravesar estratos de terrenos de gran resistencia
Pilote cobi
Con mandril neumático se hinca la envolvente y se rellena de concreto
La envolvente los protege de cualquier corrimiento de tierra hasta alcanzar su resistencia
Por no recuperar el tubo, tienen un costo alto
Es de múltiples usos.
Pilote raimond estándar
Se hinca una chapa de acero con mandril, se retira el mandril y se rellena de concreto
Economía por la conicidad del pilote, posibilidad de hincarlos en terrenos duros,
Su hincado puede producir vibraciones dañinas
Se utiliza en zonas de estrato resistente, pueden llevar armadura longitudinal
Braja M. Das,2001 / Peck,1994
Ventajas de los pilotes de concreto.
- Los tubos livianos pueden manipularse e hincarse fácilmente.
- Las variaciones de longitud no constituyen un problema serio, pues el largo del
caño puede variarse.
- Los tubos pueden retirarse en trozos cortos y armarse en la obra.
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- Se economiza dinero al eliminar el exceso de refuerzo, el cual se coloca para
soportar
los esfuerzos de manipuleo.
- Se puede formar un extremo ensanchado en la base.
Desventajas de los pilotes de concreto.
- Un pequeño corrimiento de tierra alrededor del pilote sin reforzar puede
quebrarlo.
- Un empuje hacia arriba, actuando sobre el fuste de un pilote sin camisa
permanente, ni el refuerzo puede destruirlo al hacerlo trabajar a tensión.
- La mayoría de este tipo son patentados.
- La mayor parte de este tipo de tubos hay que importarlos..
- No puede usarse en estructuras de ríos o marítimas, sin una adaptación especial.
- Podría ocurrir estrangulamiento, en suelos derrumbables, a menos que se tenga
un gran cuidado cuando se llene el fuste con concreto.
- Es difícil efectuar un buen colado si el tubo del pilote se llena de agua, a no ser
que se emplee aire comprimido.
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FIG. 1.15 UTILIZACIÓN DE TIPOS DE PILOTES
donde: (a, b, c, d, e): utilización de ademe
(f, g): sin ademe
PILOTES DE ACERO
Los pilotes de acero ó metálicos, debido a su alta resistencia, son capaces de absorber
grandes esfuerzos de flexión y de cortante con secciones de áreas pequeñas.
El acero que se utiliza existe en varias categorías, de acuerdo a la resistencia que pueden
desarrollar. Debido al riguroso control de la calidad en la fabricación, las propiedades
estructurales están bien definidas, por lo que al asignarle los esfuerzos permisibles, los
resultados obtenidos son confiables.
Con pilotes de acero es posible atravesar estratos duros con relativa facilidad sin que se
dañen; también, por el poco volumen del terreno que desplazan durante el hincado, se
reducen los riesgos de que ocurra levantamiento de terreno que pueda arrastrar pilotes
hincados previamente.
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Se pueden alcanzar profundidades considerables, hasta 60 mts, y se pueden transmitir
grandes cargas hasta 60 toneladas con secciones normales y hasta más de 300 toneladas
con secciones compuestas.
Existen varias secciones de pilotes de acero, entre las más usuales están: las “I”, “H”, y
Tubulares. Las secciones “I” ó “H” (Fig. 1.16), si no están apoyadas en un estrato
resistente o en roca desarrollan su capacidad de carga por fricción, porque poseen un
área lateral bastante grande; mientras que las Tubulares pueden desarrollar una
capacidad por la punta muy elevada, ya sea porque se coloque una tapadera metálica en
la punta ó porque el terreno que se aprisiona dentro del tubo forma un tapón y realiza la
misma función que la tapadera metálica.
Ventajas de los pilotes de acero.
- Resistencia elevada a la compresión y a la flexión.
- Posibilidad de alcanzar grandes profundidades mediante soldadura de elementos
metálicos con otros.
- Posibilidad de atravesar estratos resistentes.
- Soportan todas las fuerzas y golpes que se les aplica durante el hincado.
- Tienen mayor maniobrabilidad y menor requerimiento de espacio durante la
colocación.
Desventajas de los pilotes de acero.
- Ciertos estudios demuestran que pueden haber pérdida de espesor por la
corrosión, dañinas a la capacidad soportante del pilote.
- Para que sean durables necesitan tratamientos o revestimientos.
- Se incrementa el costo, debido al tipo de maquinaria que se utiliza para el
hincado.
- Material relativamente caro.
- Alto nivel de ruido durante el hincado.
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FIG. 1.16 SECCIÓN TRANSVERSAL DE PILOTES DE ACERO
PILOTES DE MADERA
A diferencia de otros materiales de construcción, la madera no es un producto
elaborado, sino orgánico que generalmente se usa en su estado natural.
La resistencia estructural de la madera depende de su densidad, sus defectos naturales y
del contenido de humedad.
El crecimiento transversal de un árbol se verifica de adentro hacia fuera, es decir, que se
van formando una serie de anillos concéntricos a medida que transcurre el tiempo; la
banda extrema de anillos situada detrás de la corteza se le llama albura y las bandas
interiores son llamadas duramen. La albura está formada por células vivas y por ella se
conduce a sabia desde la raíz hasta las hojas; el duramen está formado por células
inactivas. La madera de albura es menos resistente que la de duramen, pero es muy útil
por su poder absorbente cuando la madera va a ser tratada para su preservación.
Los pilotes de madera son en general troncos de árboles a los que se les ha quitado las
ramas y la corteza. La longitud máxima de la mayoría de estos pilotes es entre 10 y 20
mts. Para calificar como pilotes, la madera debe estar recta, sana y sin defectos.
El Manual de Práctica No.17 (1959), de la American Society of Civil Engineers, divide
los pilotes de madera en tres clases:
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- Clase A: soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del extremo más grueso
(cabeza) debe ser de 356 mm.
- Clase B: se usan para soportar cargas medias. El diámetro mínimo de la cabeza
debe ser entre 305 y 330 mm.
- Clase C: se usan en trabajos provisionales de construcción, se emplean
permanentemente para estructuras cuando todo el pilote está debajo del nivel
freático. El diámetro mínimo de la cabeza debe ser 305 mm.
En todo caso, una punta de pilote debe tener un diámetro no menor de 150 mm. Los
pilotes de madera no pueden resistir altos esfuerzos de hincado; por lo tanto, la
capacidad del pilote es por lo general limitada aproximadamente a un valor entre 220 y
270 KN.
La parte superior de los pilotes de madera también se pueden dañar durante la operación
del hincado, para evitar daños a la parte superior del pilote se usa una banda o capuchón
metálico. El agrietamiento de las fibras de madera causado por el impacto del martillo
se denomina Astillado.
El empalme de los pilotes de madera debe evitarse (Fig. 1.17), particularmente cuando
de espera que soporten cargas de tensión o carga lateral; sin embargo, si el empalme es
necesario, este se hace usando camisas de tubo o fajas metálicas y pernos. La longitud
de la camisa del tubo debe ser por lo menos 5 veces el diámetro del pilote. Los extremos
a tope deben ser cortados a escuadra, de tal manera que se mantenga un contacto pleno.
Las porciones empalmadas deben ser cuidadosamente desvastadas de manera que se
ajuste estrechamente al interior de la camisa del tubo. En el caso de fajas metálicas y
pernos, los extremos a tope deben también ser cortados a escuadra. Además, los lados
de la porción empalmada deben desbastarse para poder ser colocadas las fajas.
Ventajas de los pilotes de madera.
- Facilidad de manipulación y transporte.
- Se pueden cortar a la longitud requerida, una vez hincados.
- Pueden deshincarse con facilidad.
- Es fácil obtener las longitudes y secciones que se usarán (en algunos casos).
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Desventajas de los pilotes de madera.
- Dificultad de obtener troncos largos y rectos.
- Sus puntas y cabezas pueden dañarse al hincarse.
- En suelos duros penetran dañándose o no penetran.
- Necesidad ardua de trabajo para empalmarlos, con el fin de aumentar su
longitud.
- Corta duración, a menos que sean tratados con preservantes.
- No pueden usarse por sobre el nivel freático, pues se pudren.
FIG. 1.17 EMPALME DE PILOTES DE MADERA
1.4.8.3.3.2 PILAS DE CONCRETO
En la ingeniería de cimentación el término Pila tiene dos significados diferentes:
• Una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función igual al de
una zapata, es decir, transmitir las cargas a un estrato capaz de soportarla, sin
peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en
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contraste con una zapata, la relación de la profundidad y del ancho de una pila
de cimentación es mucho mayor que el de una zapata.
• Una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la
superestructura de un puente. Usualmente la pila sobresale de la superficie del
terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel
superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición puede
considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada
en una cimentación adecuada.
La base de una pila puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar
apoyada en pilotes o micropilotes. Un cuerpo de pila situado en el extremo de un puente
y sujeto al empuje de la tierra se denomina “estribo”.
Las pilas se clasifican de acuerdo con la manera de transmitir la carga estructural al
suelo adyacente (ver fig. 1.18). Pueden ser:
- Pila de eje recto: se extienden a través de un estrato superior de suelo pobre, y
su punta descansa sobre un estrato de suelo, con fuerte capacidad de carga o en
roca. La pila se adema con tubos de acero cuando se requiere (como los pilotes),
para estas pilas, la resistencia de la carga aplicada se desarrolla en la punta y
también en la fricción lateral en el perímetro del fuste e interfaz del suelo. Las
pilas rectas también se extienden en un estrato de roca subyacente.
- Pila de campana: consiste en una pila recta con una campana en el fondo que
descansa sobre el suelo de buena capacidad de carga. La campana se construye
en forma de domo ó con lados inclinados. Para este caso los trépanos
comercialmente disponibles forman ángulos de 30º y 45º con la vertical.
Ecuación general para el cálculo de capacidad de carga:
Qp = Ap (cNc* + q´Nq* + 0.3γDbNγ*) donde:
Qp: capacidad de carga de la pila Ap: área de la punta de la pila
c: cohesión del suelo que soporta la punta de la pila q´: esfuerzo vertical efectivo al nivel del fondo de la pila perforada Nc*, Nq* Nγ*: factores de capacidad de carga
γ: densidad Db: diámetro de la base
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Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar y que generalmente tienen un diámetro
aproximadamente de 750 mm ó más. El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene
las siguientes ventajas:
- Se puede usar una sola pila de concreto en vez de un grupo de pilotes.
- Se construyen antes que las operaciones de nivelación estén completas.
- Cuando se hincan pilotes con un martinete, las vibraciones del terreno ocasionan
daños a estructuras cercanas, lo que no ocurre con las pilas.
- No hay ruido de martilleo durante su construcción.
- Como la base de una pila de concreto puede ampliarse, esto proporciona una
gran resistencia a la carga de levantamiento.
- La superficie sobre la cual la base de la pila se construye, puede ser
inspeccionada visualmente.
- Las pilas de concreto tienen alta resistencia a las cargas laterales.
FIG. 1.18 TIPOS DE PILA