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3. CAPACIDAD RESISTENTE DEL PILOTE

La capacidad de una cimentación de pilotaje para soportar cargas sin falla o asentamiento excesivo, depende de varios factores: la losa sobre los pilotes, el fuste del pilote, la transmisión de la carga que soporta el pilote al suelo, y el suelo y los estratos subyacentes de roca que finalmente soportan la carga. Él calculo y proyecto de la losa sobre los pilotes es esencialmente un problema estructural que se encuentra en los libros de textos para proyectos de hormigón armado; es raramente un problema critico o una causa de dificultades. En el análisis y proyecto del fuste del pilote intervienen tanto el suelo como el pilote. Corrientemente la capacidad del fuste del pilote obedece a necesidades constructivas y es mucho mayor que la necesaria para la carga máxima; pero puede ser critica en el caso de pilotes esbeltos con cargas pesadas o cuando se encuentran dificultades en la construcción. La transferencia de la carga del pilote al suelo es lo que se llama capacidad de carga del pilote y es frecuentemente causa de dificultades en las cimentaciones de pilotaje. La capacidad de los estratos inferiores para soportar la carga depende del efecto combinado de todos los pilotes actuando conjuntamente. Aunque la capacidad de los estratos inferiores rara vez recibe atención, es frecuentemente fuente de dificultades en las cimentaciones de pilotaje.

 

 

Fuste Del Pilote.

 

 

El fuste del pilote es una columna estructura que esta fija en la punta y generalmente empotrada en la cabeza. La estabilidad elástica del pilote y su resistencia al pandeo ha sido investigada teóricamente y por ensayos de carga. El pandeo de un pilote depende de su alineamiento, longitud, momento de inercia y modulo de elasticidad y de la resistencia elástica del suelo que lo circunda. Tanto la teoría como la practica demuestran que el soporte lateral del suelo es tan efectivo, que únicamente en pilotes extremadamente esbeltos hincados en arcillas muy blandas o en pilotes que se extiendan fuera del suelo, en el aire o en el agua, pueden producirse pandeo. Por lo tanto, los pilotes en arena o en arcilla blanda se proyecta, corrientemente, como si estuvieran arriostrados o fueran columnas cortas. Esto se ha comprobado por ensayos de carga en pilotes de 30 m de longitud en arcilla blanda en un lugar del Medio Oeste. Los pilotes de acero de sección H fallaron por arriba de la superficie del terreno cuando se alcanzo él limite elástico del acero y los de concreto por rotura por aplastamiento, cuando se alcanzo la resistencia a compresión del hormigón.

Lo más importante a considerar como limitación de la capacidad del fuste de un pilote es la construcción defectuosa, especialmente la de las uniones de dos secciones del pilote; esto puede conducir a desviaciones de la parte inferior del pilote ya que se produzca un ángulo de la alineación del mismo (como la pata de un perro) y a una reducción de la sección transversal del pilote y una perdida de resistencias como columna corta. El estudio que se ha hecho de los pilotes en forma de "pata de perro" demuestra que su capacidad no se reduce materialmente, siempre que el suelo circundante sea firme. La reducción de resistencias del pilote como columna se pude evitar con un cuidadoso control de los procedimientos constructivos.

 

 

Efectos Del Pilote En El Suelo

 

La forma de distribución del esfuerzo, el asentamiento y capacidad máxima de una cimentación por pilotaje, depende del efecto del pilote en el suelo. El pilote, representado por un cilindro de longitud L y diámetro D, es una discontinuidad en la masa de suelo, que reemplaza el suelo, según sea instalado por excavación, como un pilar, o por hinca.

 

La excavación altera el suelo cambiando la forma de distribución del esfuerzo; el suelo puede ser comprimido hacia adentro, desorganizándose la estructura de las arcillas y reduciéndose la compacidad de las arenas. Al forzar un pilote dentro del agujero o al colocar concreto fresco, puede que se fuerce parcialmente el suelo hacia afuera, originándose mas alteración.

 

La hinca del pilote origina aun mayor alteración. La punta del pilote actúa como un pequeño cimiento con un cono de suelo que se forma debajo de ella que perfora hacia abajo forzando al suelo hacia los lados en sucesivas fallas de capacidad de carga. Alrededor del pilote se forma una zona de alteración o suelo reamasado que tiene un ancho de D a 2D. Si la hinca va acompañada por el chorro de agua o la perforación de un pequeño agujero, la zona de alteración es menor. Dentó de la zona de alteración se reduce la resistencia de cohesión de las arcillas saturadas y de los suelos cementados. En la mayoría de los suelos no cohesivos se aumenta la compacidad y el ángulo de fricción interna, sin embargo, en un suelo muy compacto pudiera haber una reducción en la compacidad en la zona inmediata al pilote, debido al esfuerzo cortante y a una ligera reducción local del ángulo de fricción interna.

 

El desplazamiento producido por la hinca de los pilotes tiene dos efectos. Primero, se produce un levantamiento del terreno en los suelos de arcilla saturada y en los no cohesivos compactos. El levantamiento del terreno algunas veces empuja lateralmente 30 o 60 cms los pilotes hincados previamente o levanta la superficie del terreno una cantidad equivalente al volumen de suelo desplazado. Segundo, se establece una fuerte presión lateral en el suelo. Los limitados datos disponibles indican que la presión lateral total, en arcilla saturada, puede ser tanto como dos veces la presión vertical total de la sobrecarga de tierra y en las arenas la presión lateral efectiva puede ser desde la mitad a cuatro veces el esfuerzo vertical efectivo. En las arcillas saturadas hay indicaciones indirectas de presiones aun mayores, como son el colapso de ataguías y el aplastamiento de pilotes de tubo abierto de paredes delgadas o de camisas de acero y el empuje que reciben las estructuras situadas cerca de los pilotes que se están hincando.

 

El aplastamiento de un pilote tubular, ocurrió en un grupo de 36 pilotes espaciados a 0.9 m, hincados en arcilla, en una construcción, rompió los cimientos por superficie y levanto 7.5 cm, un muro de un edificio contiguo.

En las arcillas saturadas el aumento de presión es, en su mayor parte, esfuerzo neutro, que con el tiempo se disipa en el suelo circundante, lo que hace que la presión lateral caiga hacia su valor original, algo menor que la presión de la sobrecarga de tierra. La reducción del esfuerzo neutro en la arcilla esta acompañada por una recuperación de la resistencia, que en algunos casos excede finalmente la resistencia original del suelo no alterado.

 

La hinca de pilotes con martillo produce choque y vibración que se transmite, a través del terreno, a las estructura contiguas. Esto puede molestar a los ocupantes y cuando es muy intenso causa danos físicos. Si el suelo es arena muy suelta, fina y saturada, las vibraciones pueden causar una licuefacción temporal de la misma, con la correspondiente perdida de capacidad de carga, produciéndose graves danos; aunque esto raramente ocurre. Es mas común que la superficie del terreno, a pesar del desplazamiento producido por los pilotes. El hundimiento se puede extender tanto como hasta 30 m de la estructura, según la longitud de los pilotes y la intensidad de la hinca. Esto causa asentamientos y danos en los edificios cercanos.

 

Transferencia De La Carga Del Pilote

 

El pilote transfiere la carga al suelo de dos maneras. Primero, por la punta, en compresión, que se llama resistencia por la punta, y segundo, por esfuerzo cortante a lo largo de su superficie lateral, llamado comúnmente fricción lateral (aunque una verdadera fricción no se desarrolla en todos los casos). Los pilotes hincados a través de estratos débiles hasta que su punta descanse en un estrato duro, transfieren la mayor parte de su carga por la punta y algunas veces se les llama pilotes resistentes por la punta. En suelos homogéneos los pilotes transfieren la mayor parte de su carga por fricción lateral y se les llama pilotes de fricción o pilotes flotantes; sin embargo, la mayoría de los pilotes desarrollan ambas resistencias.

 

Campo De Esfuerzos Alrededor Del Pilote.

La zona de esfuerzo inicial alrededor de un pilote que se coloque perforando el suelo o por medio de chiflón de agua, esta probablemente muy cerca del estado de reposo; lo cual depende de la reducción del esfuerzo que acompañe a la compresión del suelo hacia el agujero y del aumento del mismo producido por el desplazamiento del suelo al colocarse el pilote.

Al cargarse al pilote el campo de esfuerzos cambia, porque la carga del pilote se transfiere al suelo.

El análisis de los esfuerzos producidos por una carga vertical que se ha introducido por debajo de la superficie de un sólido elástico, isótopo y semifinito, fue desarrollado por Mindlin. Es análogo el análisis de Boussinesq para cargas en la superficie. El incremento de esfuerzo vertical, , producido por una carga Q a la profundidad L, que es la longitud del pilote, esta dado por la expresión:

 

 = Q  Ip   (1)
L2 Ip = f(z/L; x/L).   (2)

Por arriba de la punta del pilote, dentro de una zona cilíndrica cuyo radio es alrededor de la mitad de la longitud del pilote, la resistencia por la punta produce un incremento de esfuerzo negativo,  o una reducción del esfuerzo vertical en la masa. Los esfuerzos radiales (en dirección lateral) son análogamente influidos por el esfuerzo vertical transferido al suelo por el pilote. Por arriba del punto de carga el esfuerzo radial se reduce y por debajo se aumenta.

El efecto combinado de la resistencia por la punta y la fricción lateral en la zona de esfuerzo, depende de sus magnitudes relativas como también de la distribución lateral a lo largo del pilote.

 

Del limitado numero de observaciones que se han hecho de pilotes en materiales homogéneos se deduce que, para longitudes de pilotes que excedan de 20 diámetros, la resistencia por la punta esta entre un cuarto y un tercio de la total; para pilotes mas cortos la parte de la resistencia total que toma la punta aumenta en proporción a la relación D/L. Si el suelo o la roca en la punta del pilote es más rígido que a lo largo del fuste, la resistencia por la punta será mayor. A medida que la carga se acerca a la de falla la proporción de la carga que se transfiere a la punta depende de la resistencia máxima o limite a fuerza cortante del suelo en la punta, comparada con la resistencia limite a esfuerzo cortante en fricción lateral.

 

Esfuerzos en la zona adyacente al pilote

 

El esfuerzo vertical en la zona inmediatamente adyacente a un pilote con perforación previa y descargado es rz.

A medida que se aumenta la carga en el pilote, hay una reducción en el esfuerzo vertical inmediatamente adyacente en la parte inferior del pilote debido a que la carga es transferida a la punta. Aunque esto puede ser parcialmente compensado por el aumento en el esfuerzo vertical causado por la transferencia de carga por fricción lateral en la parte superior, el efecto neto en pilotes largos y esbeltos será una reducción de esfuerzo. Además, el hundimiento de la masa del suelo alrededor del pilote produce una reducción del esfuerzo vertical similar al que se produce en una zanja que se ha rellenado. Como resultado de esto, el esfuerzo vertical adyacente a un pilote cargado es menor que rz, por debajo de una profundidad critica Zc. Por debajo de la profundidad Zc el esfuerzo vertical inmediatamente adyacente a un pilote por perforación o hincado con chorro de agua, depende de la carga del pilote. En la falla, los ensayos indican que es aproximadamente a rZc; con cargas mas pequeñas es algo mas alto. En pilotes hincados (los cuales ya hay sufrido "fallas" sucesivas durante la hinca) la presión lateral por debajo de Zc esta aparentemente muy cerca de rz, cualquiera que sea la carga. Los ensayos a gran escala en los suelos hechos por Vesic en el Instituto Tecnológico de Georgia y por Kerisel en Francia, indican que la profundidad critica Zc es función de la compacidad relativa. Para Dr < 30%, Zc = 10D para Dr > 70%, Zc es aproximadamente proporcional a la compacidad relativa.

 

La presión lateral del suelo contra la superficie del pilote se puede expresar por la ecuación:

(2) El coeficiente de la expresión de la tierra, Ks, depende del desplazamiento del pilote y de la compacidad o compresibilidad del suelo.

Para los pilotes colocados con chiflón de agua o con perforación previa el valor de Ks aumenta con la carga; el valor máximo se produce en la falla.

 

Análisis Estático De La Capacidad De Carga De Un Pilote

La máxima capacidad de carga de un pilote o pilar es la suma de la resistencia por la punta y por la fricción lateral en el instante de la carga máxima:

QO = QBB + QSF (3)

 

Los valores máximos de QEBC y QSFC se pueden analizar separadamente. ambos están basados en el estado de los esfuerzos alrededor del pilote (o de cualquier cimentación profunda) y en la forma de distribución del esfuerzo cortante que se desarrolla al fallar.

 

En el pilote resistente por la punta, esta se asemeja a una cimentación por superficie enterrada profundamente. Cuando se carga el pilote se forma un cono de suelo no alterado que se adhiere a la punta. Como la punta va penetrando mas profundamente conforme aumenta la carga, el cono fuerza el suelo hacia los lados cortando la masa a lo largo de una superficie curva. Si el suelo es blando, compresible o tiene un modulo de elasticidad bajo, la masa situada mas allá de la zona de esfuerzo cortante se comprime o deforma, permitiendo que el cono penetre mas. Esta es una forma de esfuerzo cortante local similar al descrito para las cimentaciones poco profundas. Si el suelo o la roca son muy rígidos, la zona de esfuerzo cortante se extiende hasta que el desplazamiento total permita al cono perforar el suelo hacia abajo. Se han propuesto varias formas para la zona de esfuerzo cortante para evaluar la resistencia por la punta. Igual que los resultados de los análisis de las cimentaciones poco profundas, estos se pueden expresar en la forma general siguiente:

 

qo = Br Nr + cNc + q'Nq (3)

2

 

Para los pilotes en que B es pequeño, frecuentemente se omite el primer termino:

qo = cNc + q'Nq (4)

 

Aunque se ha deducido muchos factores diferentes de capacidad de carga para cimentaciones profundas, la variación de los que han sido verificados con alguna extensión, por ensayos en pilotes de tamaño natural, se representan en figuras. Las curvas inferiores son los factores de Meyerhof para cimentaciones poco profundas, corregidas para la forma circular o cuadrada. Las curvas superiores son para la falla general de esfuerzo cortante, adaptadas de las de Meyerhof y se requiere el desarrollo completo de la zona de esfuerzo cortante, lo que solamente puede ocurrir en un sólido rígido-plastico o en una arena compacta. Las curvas intermedias son adaptadas de los trabajos de Berezantzev; en arena estas curvas se ajustan a los resultados de los ensayos en modelos a escala grande y a tamaño natural en pilotes hincados.

 

Es difícil precisar cual es el factor de capacidad de carga correcto que debe usarse en cada caso. Los factores para cimentaciones poco profundas se aplican a los pilotes resistentes por la punta o a los pilotes, cuando descansan en estratos duros, y sobre los cuales se encuentran formaciones débiles. También se aplican a los pilotes embebidos en arcillas blandas y arenas sueltas. Los factores mas altos se aplican solamente a las arcillas mas duras y a las arenas muy compactas, en las cuales la punta del pilote queda embebida a una profundidad de 10D. Los factores para condiciones intermedias entre estos limites, se pueden hallar por interpolación, pero con cautela. Los ensayos han demostrado, en muchos casos reales, que las curvas intermedias son aplicables.

 

Si los pilotes son hincados en el suelo, el ángulo de fricción que debe usarse es el que se obtiene después de la hinca. Según Meyerhof, en las arenas se produce un aumento de 2 a 5 grados sobre el valor obtenido antes de la hinca. Si la colocación del pilote se hace con chiflón de agua o con perforación previa, el ángulo no cambia prácticamente.

 

El valor apropiado de q' al nivel de la cimentación, depende de la longitud del pilote.

q' = rz si z < zc (5a)

q' = rzc si z > zc (5b)

 

La fricción lateral que actúa a lo largo del fuste del pilote es igual a la suma de la fracción mas la adherencia en la superficie del pilote o a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo inmediatamente adyacente al pilote, cualquiera que sea menor. Si f es la fricción lateral:

 

f = c' + 'h tan ' o (6a)

f = ca + 'h tan

 

donde ca es la adherencia y el angulo de rozamiento entre el suelo y la superficie del pilote.

Los valores de ca y de tan se pueden determinar por una prueba directa de esfuerzo cortante, substituyendo una mitad de la caja del aparato para el ensayo por el material de la superficie del pilote. Los ensayos hechos con pilotes de tamaño natural indican los siguientes valores de ca son relación a los de c en arcillas saturadas, obtenidos en pruebas de esfuerzo cortante sin drenaje:

 

ca = 0.9c c < 0.5 Kg/cm2 (6b)

ca = 0.9 + 0.6(0.49c -1) c > 0.5 Kg/cm2 (6c)

 

En estas expresiones c y ca están en Kg. / cm2. La mas baja proporción en el aumento de ca en suelos en los cuales c > 0.5 Kg/cm2, parece ser debido a un pequeño vacío que se forma alrededor del pilote durante la hinca y posiblemente a los esfuerzos de tracción que se producen alrededor del extremo superior del fuste del pilote durante la carga. Hay alguna evidencia de que ca aumenta lentamente con el tiempo hasta llegar a igualarse a c.

 

Se han hecho correlaciones empíricas entre la resistencia por la punta y fricción lateral de pilotes en suelos no cohesivos y la resistencia a penetración media durante las exploraciones en el lugar. La resistencia por la punta determinada por el ensayo con el cono estático holandés, en arenas no cohesivas es, aproximadamente, igual a la resistencia por la punta de un pilote colocado en el mismo material. La fricción lateral en los pilotes de acero y de hormigo es aproximadamente, el doble de la determinada por el cono de fricción, para pilotes con L/D > 20. Cuando se hace la prueba estándar de penetración, N, Meyerhof sugiere lo siguiente:

 

qo = 4N ( en Kg / cm2) (7a)

fo = 0.02N ( en Kg / cm2) (7b)

 

Inmediatamente después de la hinca, la resistencia del suelo (y la adherencia) corresponden a la condición de reamasado. Después de que un suelo de arcilla ha tenido la oportunidad de reconsolidarse y, en algunos casos, endurecerse tixotropicamente, la adherencia y la resistencia del suelo inmediatamente adyacente al pilote aumenta y hasta puede exceder la resistencia original del suelo. Los pilotes extraídos de suelo arcilloso, frecuentemente están cubiertos con una capa de suelo de varios centímetros de espesor que esta adherida firmemente a la superficie del pilote.

La capacidad total de carga de un pilote es nominalmente, la suma de la resistencia por la punta que se ha movilizado y el producto de la fricción unitaria lateral movilizada por el área de la superficie lateral del pilote.

 

Sin embargo, la carga máxima o de falla, Qo, no es necesariamente igual a la suma de la resistencia máxima por la punta y la fricción lateral máxima. Primero, porque puede que no se movilicen simultáneamente las resistencias por la punta y por fricción lateral en las diferentes secciones del fuste del pilote. Considérese un pilote cuyo fuste este en un suelo débil, no rígido, pero cuya punta descanse en un estrato rígido. Un movimiento relativamente pequeño del pilote, hacia abajo, seria suficiente para producir la falla por capacidad de carga, mientras que el mismo movimiento no seria lo suficientemente grande para producir la falla por fricción lateral; por consiguiente, solo una parte de la fricción lateral se habría movilizado en el instante de la falla. La reflexión del fuste del pilote por efecto de la carga (que es máxima en la superficie del terreno, pero menor en la punta), la diferente rigidez de los distintos estratos en contacto con el pilote y la compresión del suelo debajo de la punta del pilote, también contribuyen a una movilización desigual de la resistencia por la punta y de la fricción lateral. El resultado final es que la verdadera capacidad de carga del pilote puede ser notablemente menor que la suma de los valores máximos. Esta diferencia se agrava en los suelos ultra susceptibles, donde la falla produce una perdida de resistencia. Por estas razones la fricción lateral de los estratos débiles generalmente se desprecia en los cálculos.

 

El pilote hincado tiene, generalmente, una capacidad de carga máxima mayor que la del pilote colocado con excavación previa o con chiflón de agua, porque los valores máximos, tanto el de resistencia por la punta como el de fricción, se alcanzan durante la hinca.

Una segunda causa de la diferencia entre la capacidad de carga calculada y la real de los pilotes, proviene de la fricción negativa. Los esfuerzos que se desarrollan en el suelo por el pilote y por cualquier carga superficial, como el relleno, no soportada directamente por los pilotes, hace que el suelo no consolide. Si hay algún estrato muy compresible a algún nivel por arriba de la punta del pilote, la consolidación hará que el suelo de arriba se mueva hacia abajo con respecto al pilote. Esto estratos en vez de soportar el pilote, debido a su movimiento descendente, añaden carga al pilote. Esta fricción negativa ha sido tan grande en algunos casos, que ha producido la falla de la cimentación por pilotaje y debe por lo tanto, considerarse en el proyecto.

 

Prueba De Carga

 

El método mas seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayoría de los lugares, es la prueba de carga. Los ensayos de carga se hacen para determinar la carga máxima de falla de un pilote o grupo de pilotes o para determinar si un pilote o grupo de pilotes es capaz de soportar una carga sin asentamiento excesivo o continuo.

 

La capacidad de carga en todos los pilotes, excepto los hincados hasta la roca, no alcanza su valor máximo hasta después de un periodo de reposo. Los resultados de los ensayos de carga no son una buena indicación del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan después de un periodo de ajustes. En el caso de pilotes hincados en suelo permeable este periodo es de dos o tres días, pero para pilotes rodeados total o parcialmente por limo o arcilla, puede ser de mas de un mes.

 

Los ensayos de carga se pueden hacer construyendo una plataforma o cajón en la cabeza del pilote o grupo de pilotes, en la cual se coloca la carga, que puede ser arena, hierro, bloques de concreto o agua. Para hacer un ensayo mas seguro y más fácilmente controlable, se usan, para aplicar la carga, gatos hidráulicos de gran capacidad cuidadosamente calibrados. La reacción del gato será tomada por una plataforma cargada o por una viga conectada a pilotes que trabajaran a tracción. Una ventaja adicional del uso de gatos es que la carga sobre el pilote se puede variar rápidamente a bajos costos. Los asentamientos se miden con un nivel de precisión o, preferiblemente, con un micrómetro montado en un soporte independiente.

Figuras


Esquema de Carga

Foto de la prueba llevándose a cabo

 

Las cargas se aplican en incrementos que sean un quinto o un cuarto de la carga del pilote que se haya fijado para el proyecto, hasta que se produzca la falla o se alcance una carga igual a dos veces la fijada para el proyecto; la carga se reduce después a cero, por decrementos. Cada asentamiento a intervalos regulares, hasta que su velocidad sea menor que 0.013 mm por hora. Posteriormente se dibuja la curva de asentamientos finales-carga, similar a la de la prueba de carga en placa.

 

Se ha propuesto muchos criterios diferentes para fijar la carga admisible o de trabajo, pero el mejor es el mismo que se emplea para cualquier otro tipo de cimentación: la carga con un factor de seguridad adecuado (1.5 a 2 cuando se ha hecho ensayo de carga) o la carga que produce el mayor asentamiento total permisible, cualquiera que sea menor.

 

Asentamiento De Un Solo Pilote

 

El asentamiento de un pilote aislado proviene del acortamiento elástico del fuste del pilote y, en parte, de la distorsión del suelo alrededor del pilote. Como mejor se determinan estos efectos es por el ensayo de carga. El asentamiento se puede determinar por un análisis estático de la resistencia del pilote, calculando el acortamiento elástico de cada sección del fuste del pilote, teniendo en cuenta la porción de la carga total que queda en esa sección.

 

El mayor asentamiento en todos los pilotes, excepto los que se apoyan en roca, proviene de la consolidación del suelo subyacente por los esfuerzos que desarrolla el grupo de pilotes.

 

Pilotes En Tracción

 

Los pilotes en tracción se pueden analizar por el método estático (sin considerar la resistencia por la punta) o por pruebas de carga en tracción. La resistencia a tracción de los pilotes con ensanchamiento en la punta se puede determinar mejor por ensayos de carga.

 

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