Conteni
·                 INTRODUCCION
·                 CIMENTACIONES PROFUNDAS
·                 LOS PILOTES
o                                PILOTES ACERO
o                                PILOTES CONCRETO
o                                PILOTES DE MADERA
o                                PILOTES COMPUESTOS
·                 ENSAYOS
o                                CARACTERISTICAS DE LOS METODOS
o                                FUNCIONES DE LOS PILOTES
o                                CLASIFICACION DE LOS PILOTES
o                                METODOS APLICATIVOS
o                                ENSAYO ESTATICO
o                                CONSECUENCIAS DE IMPLANTACION
o                                ENSAYOS CON METODOS NO DESTRUCTIVOS
o                                MÉTODOS DE ENSAYO DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL
o                                MÉTODOS RÁPIDOS DE ENSAYO DE CARGA
o                                MÉTODO SÓNICO
o                                MÉTODO ULTRASÓNICO CROSS-HOLE
 
 
 
 
CIMENTACIONES

Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y/o madera y son usados para construir cimentaciones, cuando son profundas y cuestan mas que las cimentaciones superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural. La siguiente lista identifica algunas de las condiciones que requieren cimentaciones de pilotes.
Cuando el estrato o estratos superiores del suelo son altamente compresibles y demasiado débiles para soporte la carga transmitida por la superestructura se usan pilotes para transmitir la carga al lecho rocoso o una capa dura, como muestra la figura A. Cuando no se encuentra un lecho rocoso a una profundidad razonable debajo de la superficie del terreno los pilotes se usan para transmitir la carga estructura gradualmente al suelo. La resistencia a la carga estructural aplicada se deriva principalmente de la resistencia a fricción desarrollada en la interfaz suelo - pilote. (Figura B)
Cuando están sometidas a fuerzas horizontales (véase figura C) , las cimentaciones con pilotes resisten por flexión mientras soportan aún la carga vertical transmitida por la superestructura. Este tipo de situación se encuentra generalmente en el diseño y construcción de estructuras de retención de tierra y en la cimentación de estructuras altas que están sometidas a fuerzas de viento y/o sísmicas.
En muchos casos, suelos expansivos y colapsables están presentes por debajo de la superficie del terreno. Los suelos expansivos se hinchan y se contraen conforme al contenido de agua crece y decrece y su presión de expansión es considerable. Si se usan cimentaciones superficiales en tales circunstancias, la estructura sufrirá daños considerables. Sin embargo, las cimentaciones con pilotes se consideran como una alternativa cuando éstos se extienden más allá de la zona activa de expansión y contracción (figura D)
Los suelos como los constituidos por loess son de naturaleza colapsable. Cuando el contenido de agua de esos suelos aumenta, su estructura se rompe.
Una disminución repentina de la relación de vacíos induce a grandes asentamiento de las estructuras soportadas por cimentaciones superficiales. En tales casos, las cimentaciones con pilotes se usan con éxito si éstos se extienden hasta las capas de suelo estables mas allá de la zona de cambio posible de contenido de agua.
Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y losas de sótanos debajo del nivel freático, están sometidas a fuerzas de levantamiento. Algunas veces se usan pilotes para esas cimentaciones y así resistir la fuerza de levantamiento (figura E)
Los estribos y pilas de puentes son usualmente construidos sobre cimentaciones de pilotes para evitar la posible pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial sufrirá por erosión del suelo en la superficie del terreno (figura F)
Aunque numerosas investigaciones, tanto teóricas como experimentales, se efectuaron para predecir el comportamiento y la capacidad de carga de pilotes en los suelos granulares y cohesivos, los mecanismos no han sido totalmente entendidos y tal vez nunca lo sean. El diseño de las cimentaciones con pilotes es considerado un "arte" en vista de las incertidumbres implícitas al trabajar con las condiciones del subsuelo En ocasiones , cuando comenzamos a realizar la excavación para la ejecución de una obra , podemos encontrarnos diversas dificultades para encontrar el estrato resistente o firme donde queremos cimentar . O simplemente se nos presenta la necesidad de apoyar una carga aislada sobre un terreno sin firme , o difícilmente accesible por métodos habituales .

En estos casos se recurre a la solución de cimentación profunda , que se constituye por medio de muros verticales profundos , los muros pantalla o bien a base de pilares hincados o perforados en el terreno , denominados pilotes . En cualquier caso el objetivo es adoptar una solución constructiva que reuna las siguientes condiciones :

PARTES DE UNA CIMENTACIÓN POR PILOTAJE:

Soporte o pilar : Elemento estructural vertical , que arranca del encepado .- Encepado : Pieza prismática de hormigón armado similar a una zapata aislada , encargado de recibir las cargas del soporte y repartirlas a los pilotes .
Vigas riostras : Elementos de atado entre encepados . Son obligatorias en las dos direcciones si el encepado es de un solo pilote . En encepados de dos pilotes es obligatorio el arrostramiento en al menos una dirección , la perpendicular a la dirección de su eje de menor inercia .
Fuste del pilote : Cuerpo vertical longitudinal del pilote . Las cargar son transmitidas al terreno a traves de las paredes del fuste por efecto de rozamiento con el terreno colindante .
Punta del pilote : Extremo inferior del pilote . Transmite las cargas por apoyo en el terreno o estrato resistente
Terreno circundante

Los pilotes pueden alcanzar profundidades superiores a los 40 mts teniendo una sección transversal de 2-4 mts , pudiendo gravitar sobre ellos una carga de 2000 t
  • Transferir la carga a través de un suelo blando, a un estrato mas resistente situado a mayor profundidad 
  • Transferir la carga, principalmente por fricción, cuando el estrato resistente se encuentra a gran profundidad
  • Resistir esfuerzos de tracción (por ejemplo, fundaciones de torres de alta tensión, o de estructuras de gran altura) 
  • Resistir cargas perpendiculares al eje del pilote (por ejemplo, fundaciones de estructuras de contención, fundaciones de puentes) 
  • Salvar la posible pérdida de capacidad de carga debido a la socavación del suelo de fundación 
  • Mejorar un suelo blando (pilotes de arena o grava)
  • Drenes (pilotes de arena o grava, técnica en desuso por la aparición de geodrenes)
  • Como estructura de contención (cortinas de pilotes)
 
 
 
PILOTES DE ACERO

Los pilotes de acero son generalmente a base de tubos o de perfiles H laminados. Los pilotes de tubo se hincan en el terreno con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas de acero patín ancho y de sección I también se usan. Sin embargo, se prefiere los perfiles H porque los espesores de sus almas y patines son iguales. En las vigas de patín ancho y de sección I, los espesores de alma son menores que los espesores de los patines. TABLA D1 da las dimensiones de algunos pilotes de acero de sección H estándar usados en Estados Unidos. La TABLA D2 muestra secciones de tubo usadas con frecuencia como pilotes. En muchos casos, los tubos se llenan con concreto después de ser hincados.

La capacidad admisible estructurar para pilotes de acero es   Q (adm) = A(s) f(s)   Donde A(s) = área de la sección transversal del acero f(s) = esfuerzo admisible del acero   Con base en consideraciones geotécnicas (una vez determinada la carga de diseño para un pilote), es siempre aconsejable calcular si Q(diseño) está dentro del rango admisible definido en la ecuación anterior.   Cuando es necesario, los pilotes de acero se empalman por medio de soldaduras, remaches o tornillo. La figura A muestra una condición típica de empalme por soldadura a un pilote H. En la figura B se muestra un típico caso de empalme por soldadura de un pilote tubo y en la figura C se muestra el empalme por remaches o tornillos de un pilote H,   Cuando se esperan condiciones difíciles de hincado, como a través de grava densa, lutitas y roca blanca, los pilotes de acero se usan adaptados con puntas o zapatas de hincado, Las figuras D y E   muestran dos tipos de zapatas usadas en pilotes de tubo.   Los pilotes de acero llegan a estar sometidos a corrosión, como suelos pantanosos, las turbas y otros suelos orgánicos. Los suelos con un pH mayor a 7 no son muy corrosivos. Para compensar el efecto de la corrosión se recomienda considerar un espesor adicional de acero (sobre el área de la sección transversal real de diseño). En muchas circunstancias, los recubrimientos epóxicos, aplicados en la fábrica, sobre los pilotes funcionan satisfactoriamente. Esos recubrimientos no son dañados fácilmente por el hincado del pilote. El recubrimiento con concreto también los protege contra la corrosión en la mayoría de las zonas corrosivas.
PILOTES DE CONCRETO

Los pilotes de concreto se dividen en dos categorías: (a) pilotes prefabricados y (b) colados in situ. Los prefabricados se preparan usando refuerzo ordinario y son cuadrados u octogonales en su sección transversal (Figura 1). El refuerzo se proporciona para que el pilote resista el momento flexionante desarrollado durante su manipulación y transporte, la carga vertical y el momento flexionante causado por la carga lateral. Los pilotes son fabricados a las longitudes deseadas y curados antes de transportarlo a los sitios de trabajo.
Los pilotes prefabricado tambien son presforzados usando cables de presfuerzo de acero de alta resistencia. La resistencia última de esos cables es de aproximadamente 260 Ksi (» 1800 MN/m2). Durante el colado de los pilotes, los cables se pretensan entre 130 – 190 ksi (» 900 – 1300 MN/m2) y se vierte concreto alrededor de ellos. Después del curado, los cables se recortan produciéndose así una fuerza de compresión en la sección del pilote. La TABLA D3 da información adicional sobre pilotes de concreto presforzado con secciones transversales cuadradas y octogonales.

Los pilotes colados in situ se construyen perforando el agujero en el terreno y llenándolo con concreto. Varios tipos de pilotes de concretos in situ se usan actualmente en la construcción y la mayor parte fueron patentados por sus fabricante. Esos pilotes se dividen en dos amplias categorías: (a) ademados y (b) no ademados. Ambos tipos tienen un pedestal en el fondo.

Los pilotes ademados se hacen hincando un tubo de acero en el terreno con ayuda de un mandril colocado dentro del tubo. Cuando el pilote alcanza la profundidad apropiada, se retira el mandril y el tubo se llena con concreto. Las figuras A, B, C y D muestran algunos ejemplos de pilotes ademados sin pedestal., la figura E muestra un pilote ademado con un pedestal consistente en un bulbo de concreto expandido que se forma dejando caer un martillo sobre el concreto fresco.

La figura F y G son dos tipos de pilote sin ademe, uno con pedestal y el otro sin él. Los pilotes no ademados se hacen hincando primero el tubo a la profundidad deseada y llenándolos con concreto fresco. El tubo se retira gradualmente.
 
 
 
Figura
Nombre del Pilotes
Tipo de Ademano
Profundidad usual máxima del pilote
(pies)
(metros)
A
Raymond Step-Taper
Ademe corrugado delgado, cilíndrico
100
30
B
Monotube o Unión Metal
Ademe de acero, delgado, ahusado e hincado sin madril
130
40
C
Westernm ademano
Ademe de lámina delgada
100-130
30-40
D
Tubo sin costura o Armco
Ademe de tubo de acero recto
160
50
E
Franki con pedestar ademano
Ademe de lámina delgada
100-130
30-40
F
Western no ademano sin pedestal
-
50-65
15-20
G
Franki con pedestal no entubado
-
100-130
30-40
 
PILOTES DE MADERA

Los de madera son troncos de árboles cuyas ramas y corteza fueron cuidadosamente recortadas. La longitud máxima de la mayoría de los pilotes de madera es de entre 10 y 20 m. Para calificar como pilote, la madera debe ser recta, sana y sin defectos.
1.        Pilotes clase A que soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del fuste debe ser de 356 mm.
2.        Pilotes clase B se usan para tomar cargas medias. El diámetro mínimo del fuste debe ser de entre 305 y 220 mm.
3.        Pilotes de clase C que se usan para trabajos provisionales de construcción. Estos se usan permanentemente para estructuras cuando todo el pilote esta debajo del nivel freático. El diámetro del fuste debe ser de 305 mm.
Los pilotes de madera no resisten altos esfuerzos al hincarse, por lo tanto su capacidad se limita a aproximadamente 23 – 30 toneladas. Se deben usar zapatas de acero para evitar daños en la punta del pilote (en el fondo) . La parte superior de los pilotes de madera también podría dañarse al ser hincados, para evitarlo se usa una banda metálica o un capuchón o cabeza. Debe evitarse el empalme de los pilotes de madera, particularmente cuando se espera que tomen cargas de tensión o laterales.

Sin embargo, si el empalme es necesario, éste se hace usando manguitos de tubo (Figura A) o soleras metálicas con tornillos (figura B). La longitud del manguito de tubo debe ser por lo menos de cinco veces el diámetro del pilote. Los extremos deben cortase a escuadra de modo que se tenga un contaco pleno entre las partes. Las porciones empalmadas deben recortarse cuidadosamente para que queden estrechamente ajustadas dentro de los manguitos o camisas de tubos. En caso de soleras metálicas con tornillos, los extremos al tope deben también recortarse a escuadra y los lados de las porciones empalmadas deben ser recortadas planas para el buen asiento de las soleras.
Los pilotes de madera permanecerán indefinidamente sin daño si están rodeados por suelos saturados. Sin embargo, en un ambiente marino, están sometidos al ataque de varios organismos y pueden ser dañados considerablemente en pocos meses. Cuando se localizan arriba del nivel freático, los pilotes son atacados por insectos. Su vida se incrementará tratándolos con preservadores como la croesota.
 
 PILOTES COMPUESTOS

Las porciones superiores o inferiores de los pilotes compuestos están hechos de diferentes materiales, por ejemplo, se fabrican de acero y concreto o de madera y concreto. Los pilotes de acero y concreto consisten en una porción inferior de acero y una porción superior de concreto colado en el lugar. Este tipo es el usado cuando la longitud del pilote requerido para un apoyo adecuado excede la capacidad de los pilotes simples de concreto colados en el lugar. Los de madera y concreto consisten en una porción inferior de pilote de madera debajo del nivel permanente del agua y una porción superior de concreto. En cualquier caso la formación de juntas apropiadas entre dos mate ENSAYOS ESTATICOS - INTRODUCCION

Un tratamiento relativamente completo de los pilotes en la ingenieria de fundaciones es particularmente extenso, por los siguientes motivos:
  • Muy diversas funciones de los pilotes y formas de utilizarlo.
  • Gran variedad de equipos y procedimientos de instalación{on de los mismos.
  • Gran variedad de tipos de pilotes.
  • Diversos enfoques para determinar la capacidad de carga y los asentamiento de los pilotes.
Es, además, complejo por razón de:
  • Incidencia determinante del método constructivo de instalación{on en el comportamiento bajo carga de los pilotes.
  • Complejidad de los mecanismo de comportamiento del sistema suelo-pilote bajo carga, tanto para pilotes individuales como para grupos de pilotees.
  • Trascendencia de la interacción suelo-estructura en el análisis y diseño de fundaciones con pilotes.
  • Necesidad de usar método numéricos y programas de computador para el diseño final
Es común encontrar que la parte consagrada a los pilotes en la literatura sobre el tema es especialmente extensa, o que se le dedican tratados completos, seguramente con el propósito de reunir en un solo volumen la información básica necesaria para el proceso de selección, análisis y diseño de estas fundaciones. Típicamente, el tratamiento completo de fundaciones con pilotes comprende:
1.        Investigaciones del subsuelo para fundaciones con pilotes.
2.        Descripción de tipos y materiales de los pilotes y de la selección de los mismos.
3.        Equipos y métodos de instalación de los pilotes.
4.        Análisis y diseño de fundaciones con pilotes individuales o en grupos, bajo cargas verticales.
5.        Análisis y diseño de fundaciones con pilotes individuales o en grupos bajo cargas laterales.
6.        Análisis y diseño de placas reforzadas con pilotes.
7.        Fundaciones con pilotes bajo cargas dinámicas.
8.        Ensayos de carga sobre pilotes.
9.        Pruebas de integridad de pilotes.
10.     Problemas constructivos en pilotajes.
 riales diferentes es difícil y por eso, los pilotes compuestos no son muy usados.
 
CARACTERÍSTICA DE LOS MÉTODOS ANALÍTICOS GEOTÉCNICOS

En el proceso de selección y diseño de las cimentaciones profundas es habitualmente necesario elegir y utilizar variados métodos analíticos geotécnicos. En presencia de problemas de muy variada índole y diferentes propósitos del diseño, es normal encontrar una amplia gama de posibilidades respecto a exigencias de precisión, grado de complejidad, volumen de cálculos, necesidades de computador y alcance de las investigaciones de subsuelo en campo y laboratorio. Además, no resulta sencillo identificar enfoques y herramientas de análisis de amplia aplicabilidad, dada la voluminosa disponibilidad de métodos y teorías, casi siempre de carácter semiempíricos.

Se evidencia así que en la aplicación de la ingeniería de suelos y fundaciones es difícil eliminar los componentes de juicio personal en los diseños y decisiones. Acciones conducentes a minimizar estos componente en la interpretación de los análisis geotécnicos requieren, por una parte, un mayor grado de sistematización y control de los procedimientos de investigación del subsuelo y constructivos; por la otra, exigen un esfuerzo de evaluación de los métodos de análisis en función de sus aplicabilidad y sus ventajas para las condiciones de cada región o sitio en particular.

Debido a la índole semiempírica de estos métodos, su aplicación confiable exige del usuario una compresión profunda de su alcance y sus limitaciones, lo que obliga, a veces, a realizar tareas extensas en el estudio de validez y confiabilidad, previo a la propia utilización particular del método. En este sentido, es de gran ayuda en las evaluaciones una identificación de aquellos conceptos básicos compartidos por métodos de análisis que se fundamentan en similares enfoques de partida. Con este propósito, se llama la atención en este apartado sobre algunos conceptos destacables en la literatura especializada, por su sólido soporte experimental y pruebas documentadas, que constituyen principios muy útiles para la selección y aplicación de los métodos de análisis geotécnicos de fundaciones sobre pilotes.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FUNCIONES DE LOS PILOTES

Constituyen los pilotes elementos de fundación apreciablemente versátiles, por motivo de que pueden realizar gran variedad de funciones, tales como las que se describen brevemente a continuación:
a.        Pilotes de punta: Transmiten cargas a través de agua o suelos blandos hasta estratos con suficiente capacidad portante, por medio del soporte en la punta del pilote.
b.        Pilote de Fricción, flotante: Transmite cargas a un cierto espesor de suelo relativamente blando mediante fricción desarrollada sobre la superficie lateral del pilote, a lo largo de la longitud del mismo. Es aplicable cuando, dentro de profundidades alcanzables, no se encuentran estratos que provean soporte significativos en la punta
c.        Pilote de fricción, compactación: Compacta suelos granulares relativamente sueltos incrementando su compacidad y, en consecuencia, su capacidad de carga por fricción (también, una parte significativa por punta).
d.        Trasladar el soporte de la fundación más allá de la profundidad de socavación en corrientes de agua para proveer seguridad contra pérdida de soporte al ser horadado el suelo portante.
e.        Pilotes de tensión: Su capacidad para resistir fuerzas al arranque les permite evitar el desplazamiento hacia arriba de estructuras sometidas a fuerzas de levantamiento (presión hidrostática), (Figura E),o, al trabajar conjuntamente con pilotes a compresión, configurar mecanismos resistentes a momentos de volcamiento sobre la fundación, como los producidos por cargas actuantes en la parte superior de estructuras de gran altura (Figura D).
f.         Pilotes de anclaje: Configuran mecanismos de anclaje resistentes a empujes horizontales de tablestacados u otras estructuras. Usualmente se combinan pilotes a tensión con pilotes a compresión. (Figura F)
g.        Pilotes de defensa: Son parte integrante de estructuras que se deforman elásticamente bajo cargas dinámicas, que les confiere gran capacidad de amortiguación de energía y les permite proteger estructuras frente al agua (muelles),del impacto de embarcaciones y otros elementos flotantes masivos. Frecuentemente se usa la madera.
h.        Pilotes inclinados: Al instalar un pilote con su eje longitudinal inclinado en un cierto ángulo respecto a la vertical, la componente horizontal de la capacidad axial de carga del pilote se puede aprovechar para resistir fuerzas horizontales (el vector de fuerza resistente axial tiene componentes horizontal y vertical). Si, por ejemplo, en la fundación de un muro de contención sobre pilotes, los pilotes verticales solos, no tiene capacidad para resistir la fuerza horizontal proveniente de los empujes de tierra sobre el muro, se puede considerar el uso de una o más filas de pilotes inclinados para trabajar en la forma descrita.
 
 
 
 
CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES

Se originan estas fundaciones en forma natural, en la necesidad técnica y económica de trasladar las cargas en la base de las estructuras a mantos profundos competentes, a través de mantos relativamente débiles y comprensibles no aptos para soportar en forma segura y eficiente elementos de fundación. Las caracteriza la condición común de que la profundidad requerida en las excavaciones y los problemas constructivos vinculados a las condiciones geotécnicas del sitio, hacen impracticable realizar una excavación convencional a cielo abierto, por lo cual se hace necesario recurrir a procedimientos constructivos que emplean técnicas y equipos especializados.

Se puede aplicar varios criterios para clasificar los pilotes. Los más utilizados son los siguientes:
  • Material constitutivo del pilote.
  • Función del pilote.
  • Incidencia del procedimiento de instalación en las condiciones del suelo vecino al pilote
 Material de pilote:
  • Madera (ampliar)
  • Concreto (ampliar)
  • Compuesto (ampliar)
  • Acero (ampliar)
Función del pilote

Como pilotes de punta, fricción, compactación, tensión, anclaje, defensa, y como Duques de Alba (dolphins). Los pilotes que resisten fuerzas por capacidad axial a compresión se denominan pilotes portantes. (ampliar)

Incidencia del procedimiento de instalación en las condiciones del suelo

Un criterio aplicado en muchos sistemas de clasificación es distinguir dos categorías referentes a diferencias básicas en las acciones sobre el suelo vecino al pilote durante la instalación y, por consiguiente, al comportamiento de los pilotes bajo carga.
1.        Pilotes de desplazamiento: En este sistema el suelo es desplazado del espacio que va a ocupar el pilote, por acción de los esfuerzos de penetración. Pueden generarse una densificación, posiblemente benéfica, en los suelos granulares sueltos. En otros medios tiene lugar levantamientos del terreno, empujes sobre elementos vecinos y otras consecuencias casi siempre nocivas para estructuras y servicios aledaños al sitio de instalación. Dentro de esta categoría lo más importante son:
a.        Pilotes prefabricados, hincados por el impacto de martillos
b.        Pilotes hincados por impacto y fundidos en el sitio
c.        Pilotes atornillados
d.        Pilotes penetrados mediante presión continua, como la producida por gatos
2.        Pilotes preexcavados (o perforados): En este sistema de pilotaje, se remueve el suelo del espacio que va ocupar el pilote, al aplicar varias posibles técnicas de excavación o perforación, formando así una cavidad que en caso necesario se protege del derrumbe de sus paredes, en cuyo interior se funde el concreto integrante de cuerpo del pilote.
Este criterio ha sido adoptado y precisado mejor en Gran Bretaña y considera que los pilotes caen en una de tres grandes clases:
a.        Gran desplazamiento
b.        Pequeño desplazamiento
c.        Sin desplazamiento
Cada una de estas clases tiene varias subdivisiones que obedecen a detalles constructivos, configuración de la sección y material.
 
 
METODOS APLICATIVOS

TIPOS DE CARGA:Axiales de Compresión,  Axiales de Tracción, Transversales (Horizontal) y Combinadas (muy poco común)
NORMAS
ASTM D1586 - 84 (r.94) Standard Test Method for Piles Under Static Axial Compressive Load
ASTM D3689 - 90 (r.95) Standard Test Method for Individual Piles Under Static Axial Tensile Load.
NBR 12131 - 1991. Estacas-Prova de Carga Estática - Método de Ensaio
 
 
 
 
 
ENSAYO ESTATICO

Aplicación de una carga, según un determinado procedimiento (normalizado) y registro de los desplazamientos provocados por dicha carga.

 
 
CONSECUENCIAS DE LOS PROCEDIMIENTOS DE INSTALACION DE PILOTES

Al examinar el estado vigente de la teoría, los métodos y la aplicación de la geotecnica, y su probada utilidad para el análisis y diseño de las fundaciones superficiales, particularmente en la predicción de la capacidad portante y los asentamiento, se comprende el interés de ingenieros e investigadores por aplicarlos igualmente para el análisis de las fundaciones profundas. Sin embargo, al avanzar con estos trabajos desde la oficina y el laboratorio hasta el campo, particularmente en el estudio del comportamiento de pilotes a escala natural instrumentados, se han observado discrepancias fundamentales con las teorías clásicas de la mecánica de suelos, y se han detectado las consecuencias primordiales de los procedimientos de instalación en el comportamiento bajo carga de los pilotes.

La consideración, aun somera, de las operaciones constructivas permite comprender fácilmente cómo la instalación de los pilotes desarrolla condiciones altamente complejas en la interfaces pilote-suelo que, como es usual, guardan escasa relación con el estado original no remoldeado del suelo y hasta con la condición de completa alteración. Las presiones del agua intersticial alrededor del pilote pueden variar ampliamente durante períodos de horas, días, meses o aun años, después de la instalación, en forma tal que no son realistas las relaciones simples entre la fricción lateral y la presión efectiva de sobrecarga. Similarmente, cuando se consideran las deformaciones de un pilote o grupo de pilotes bajo su carga de trabajo, resultan muy desprovistos de significado los cálculos de transferencia de carga basado en la teoría elástica que no tenga en cuenta la alteración del suelo en un espacio de varios diámetros alrededor del pilote.

Existe una clara diferencia entre fundaciones superficiales y profundas respecto a los cambios en el suelo portante. En las primeras, dicho suelo queda esencialmente bajo la base de la fundación y no sufre cambios de trascendencia, excepto los generados por algunas alteraciones en el régimen de esfuerzos efectivos. Por el contrario, normalmente en las profundas, el suelo portante, tanto por debajo como por encima de la base de la fundación, resulta casi siempre significativamente alterado. Vesic señala las siguientes consecuencias de los procedimientos de instalación.

En la caso de pilotes perforados (preexcavados sin desplazamiento), la mayor parte del cambio se presenta alrededor del fuste, en una zona relativamente delgada del suelo que rodea al pilote y que sufre alteración como resultado de la extracción del suelo por barreando u otros medios. Al mismo tiempo, dependiendo del procedimiento constructivo, tiene lugar algún alivio en el esfuerzo lateral antes de instalar la fundación. Si el suelo que rodea al pilote es arcilla , una zona que se extiende cerca de un diámetro alrededor del pilote puede experimentar cambios significativos en su estructura y, según la sensibilidad de la arcilla, sufrir pérdidas considerables de la resistencia al cortes, que son total o parcialmente recuperadas en el transcurso de un extenso período de tiempo.

En el caso de pilotes hincados en arcillas firmes saturadas, sobrevienen cambios determinantes en la estructura secundaria (cierre de fisuras), que se extiende en un espesos de varios diámetros alrededor del pilote, acompañados de alteración y pérdida completa de los efectos de la historia previa al esfuerzo en la inmediata vecindad del pilote. SI el suelo aledaño es limo sin cohesión, arena, arcilla parcialmente saturada (Fig 9.6), el hincado del pilote puede densificar el suelo, en forma más pronunciada en la inmediata vecindad del fuste del pilote y con decrecimiento de intensidad a través de una zona de uno da dos diámetros alrededor del pilote. Al proceso de hincado también los acompañan incrementos en los esfuerzos horizontales en el terreno y cambios en los esfuerzos verticales en la vecindad del pilote, que parcial o totalmente pueden desaparecer por la relajación en suelos susceptibles a la fluencia. En suelos densos no cohesivos (tales como arena o grava), puede ocurrir aflojamiento en algunas zonas, junto con intensa trituración de los granos y densificación en la inmediata vecindad del pilote. En tales suelos suceden cambios permanentes en los esfuerzos residuales tanto en el pilote como en el suelo, cuya consideración es esencial para comprender el comportamiento del sistema suelo-pilote. Los pilotes se diseñan con frecuencia en grupos y esto complica aun más la situación por el efecto complejo y no siempre bien comprendido de colocar pilotes cercanos.

Apreciada la trascendencia de los procedimientos de instalación en la predicción del comportamiento bajo carga de los pilotes, resultan evidentes las ventajas de disponer de medios para sistematizar el proceso constructivo y tipificar los pilotes. Para este propósito es posible consultar en la literatura numerosas clasificaciones y descripciones de los sistemas y tipos de pilotes; no obstante, son de mayor ayuda las distintas normas y reglamentos existentes, que promueven la conveniente normalización de los procedimientos constructivos en el país o región donde rigen.

Es digno de mencionar el Document Technique Unifie sobre Trabajos de Cimentación profunda publicado en 1978 por el Centre Scientifique en Technique de Batiment de Francia, con referencia al cual se han propuesto métodos de análisis y diseño coherentes con los resultados de numerosas pruebas de carga
 
 
 
ENSAYOS CON METODOS NO DESTRUCTIVOS

Son tres los métodos utilizados en nuestro país para comprobar la integridad estructural de pilotes mediante sistemas no destructivos:
a.                   El método sónico mediante martillo de mano que genera una onda sónica que baja por el fuste del pilote, rebota en la punta y es captada por un acelerómetro. También se le conoce como "ensayo de impedancia mecánica" o "sonic echo" (en inglés).
b.       El método de cross-hole ultrasónico, que consiste en hacer descender un emisor y un receptor de ultrasonidos por dos conductos huecos paralelos en el interior del fuste del pilote, registrándose el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia entre ambos. También se le conoce como "sondeo sónico" o "ensayo por transparencia sónica".
c.       El tercer método es el ensayo dinámico mediante un impacto importante sobre la cabeza del pilote. Generalmente se realiza en pilotes prefabricados utilizando el mismo martillo de hinca, siendo al mismo tiempo un ensayo de integridad estructural del pilote y un ensayo rápido de carga. En todo el mundo se está ya utilizando también sobre pilotes hormigonados "in situ".

El incremento de la demanda de estos ensayos en nuestro país ha provocado que estos salgan del ámbito de unos pocos especialistas para entrar de lleno en el abanico de servicios de los laboratorios generalistas de ensayos de materiales de construcción. Sin embargo, con frecuencia no se obtienen los niveles de calidad esperados en la realización de los ensayos, debido a que no siempre los equipos comprados tienen la tecnología óptima y a que las personas que los utilizan e interpretan no disponen muchas veces de la suficiente experiencia y preparación.

GENERALIDADES

Los ensayos de integridad de pilotes suministran informaciones sobre las dimensiones físicas, la continuidad o la consistencia de los materiales empleados en los pilotes, y no suministran información directa sobre el comportamiento de los pilotes en condiciones de carga.

Estos ensayos no pretenden reemplazar a los ensayos estáticos de carga, sino que constituyen una fuente adicional de información sobre los pilotes construidos. Significan una potente herramienta de trabajo para poder determinar experimentalmente la existencia de defectos en los pilotes con rapidez y economía, por lo que son utilizados básicamente como control de calidad generalizado de los pilotes.

En el caso de detectarse anomalías mediante los ensayos de integridad, la dirección de obra puede recurrir a otros métodos para intentar investigar las causas, la naturaleza y la extensión de la anomalía, y determinar si el pilote es apto para el uso que se pretende. Los métodos empleados tradicionalmente en estos casos son la excavación alrededor del pilote y los sondeos con extracción de testigo continuo del fuste del pilote. La realización de sondeos solo permite obtener datos del testigo extraído y de las paredes del sondeo, cuya posición con respecto al eje del pilote es difícil de conocer exactamente cuando la profundidad es grande.

Los resultados de los ensayos de integridad necesitan ser interpretados por personal experimentado. Las modernas técnicas electrónicas e informáticas permiten un procesamiento y un tratamiento de las señales que facilitan la posterior presentación e interpretación de los resultados. No se puede esperar que los ensayos de integridad identifiquen todas las imperfecciones existentes en un pilote, pero son una potente herramienta principalmente como salvaguardia contra defectos importantes. Los ensayos de integridad pueden identificar defectos de menor importancia que no afecten gravemente al pilote, por lo que resulta fundamental la experiencia del técnico responsable de la interpretación.

Las pruebas de carga permiten conocer el comportamiento real de los pilotes en el terreno, sometidos a cargas generalmente superiores a las de servicio. Se realizan en la fase de proyecto de la cimentación, o en la fase de construcción, como comprobación del diseño realizado. Dadas las elevadas cargas a aplicar, usualmente del orden de cientos de toneladas, son ensayos muy costosos, por lo que la tendencia es a realizarlos cada vez menos y solo en obras de elevado presupuesto. Los modernos ensayos rápidos de carga, de coste muy inferior, permiten la realización de pruebas de carga en obras de presupuestos medios, que se benefician así también del diseño más ajustado que admiten las normas cuando se realizan ensayos de carga.
 
 
MÉTODOS DE ENSAYO DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL

Las nomenclaturas existentes son variadas y contradictorias en la literatura técnica y en la publicidad de las casas suministradoras de equipos y de las empresas que realizan ensayos, utilizándose palabras como "sónico", "sísmico" y "dinámico" con diferente significado según los autores, por lo que los nombres utilizados a continuación pueden no coincidir con los que aparezcan en otros documentos, aunque trataremos de hacer referencia más al método en si que al nombre.

Son tres los métodos de ensayo de integridad de pilotes más difundidos, que también se emplean en nuestro país:

a )El más utilizado internacionalmente consiste en golpear la cabeza del pilote con un martillo de mano y obtener mediante instrumentación el movimiento de la cabeza del pilote como consecuencia de la onda de tensión generada. Es un método dinámico que induce una baja deformación en el pilote, denominándose generalmente "método sónico", aunque también se le nombra como "sísmico", "ensayo de integridad de baja deformación", "sonic echo" (en inglés) o "ensayo de impedancia mecánica". Se aplica a cualquier tipo de pilote, no requiere ninguna preparación especial en el mismo, ni necesita equipo pesado, por lo que resulta económico y de gran rendimiento.



b)Otro método muy conocido consiste en hacer descender un emisor y un receptor de ultrasonidos por dos conductos huecos paralelos en el interior del fuste del pilote, registrándose el tiempo empleado en recorrer la distancia entre ambos. Es también un método dinámico que induce una baja deformación en el pilote, denominándose generalmente "cross-hole ultrasónico", aunque también se le denomina "sondeo sónico", "sondeo sísmico", "ensayo sísmico paralelo", "cross hole sonic logging" (en inglés) o "ensayo por transparencia sónica". Requiere que se dejen dos o más tubos embebidos en el hormigón, o que se realicen taladros en el hormigón endurecido. Una vez realizado esto, el ensayo es rápido y no precisa equipos pesados  Este método se utiliza también en muros pantalla de hormigón armado.

c) El tercer método es el que dispone de más tradición, consistiendo en dejar caer una masa importante sobre la cabeza del pilote protegida por una sufridera, instrumentándose la cabeza del pilote para obtener la fuerza y la velocidad en función del tiempo. Es un método utilizado preferentemente en pilotes hincados, ya que aprovecha la misma energía proporcionada por el martillo de hinca. Es un método dinámico que induce una fuerte deformación en el pilote, denominándose generalmente "ensayo de respuesta dinámica" o simplemente "ensayo dinámico", aunque algunos autores no lo incluyen entre los ensayos de integridad. En pilotes hincados no requiere preparación especial ya que se utiliza el mismo martillo de hinca y la instrumentación es sencilla, pero en otros tipos de pilotes si que requiere medios pesados, ajenos a los de ejecución del pilote, para disponer sobre el mismo una masa considerable con una cierta altura de caída. En la actualidad se han desarrollado sistemas más sencillos y transportables de dar la energía necesaria para el ensayo.

En la Tabla 1 figuran algunos de los parámetros característicos de los diferentes tipos de ensayos descritos, comparados también con los ensayos estáticos de puesta en carga.
TABLA 1
ENSAYOS
SÓNICOS
DINÁMICOS
SEMIESTÁTICOS
ESTÁTICOS
Masa martillo
0,5-5 kg
2000-10000 kg
2000-5000 kg
N/A
Deformación máxima en pilote
2-10*10-6
500-1000*10-6
1000*10-6
1000*10-6
Velocidad máxima en pilote
10-40 mm/s
2000-4000 mm/s
500 mm/s
10-3 mm/s
Fuerza máxima
2-20 kN
2000-10000 kN
2000-10000 kN
2000-10000 kN
Duración de la fuerza
0,5-2 ms
5-20 ms
50-200 ms
107 ms
Aceleración del pilote
50 g
500 g
0,5-1 g
10-14 g
Desplazamiento del pilote
0,01 mm
10-30 mm
50 mm
> 20 mm
Longitud onda relativa (*)
0,1
1
10
108
(*) Relación entre la longitud de onda de la fuerza aplicada y el doble de la longitud del pilote
 
MÉTODOS RÁPIDOS DE ENSAYO DE CARGA El método más conocido es el mismo ensayo dinámico del capítulo anterior, tercer método para la comprobación de la integridad estructural de pilotes. Está descrito en la norma ASTM D 4945-89 y es utilizado en todo el mundo, tanto en pilotes hincados como en pilotes perforados.

En pilotes prefabricados la carga se aplica con el mismo martillo de hinca empleado. En pilotes perforados y hormigonados "in situ" hace falta buscar una carga cualquiera con un peso entre 1 y 1,5 % de la carga de prueba estática y una altura de caída entre 2 y 3 m. Es decir, para una carga de prueba de 500 t, se necesita una masa de 5-7 t suspendida con una grúa.

La cabeza del pilote se prepara usualmente realizando un recrecido de hormigón dentro de una camisa metálica, en el que se colocan los sensores de velocidad y deformación, con una superficie plana en el extremo superior protegida por una chapa metálica y una sufridera sobre la que se produce el impacto. La carga se eleva con una grúa y se deja caer sobre el pilote, registrándose en un ordenador portátil la fuerza y la velocidad en la cabeza del pilote en función del tiempo. Es importante que la energía del impacto sea suficiente para movilizar la capacidad resistente del suelo. Por ello es usual aplicar 4 ó 5 golpes con altura de caída creciente, registrándose los parámetros de la respuesta del pilote.

Los resultados obtenidos se tratan en el ordenador con programas informáticos que incorporan diferentes fórmulas o métodos numéricos para estimar la capacidad de carga y presentar los resultados obtenidos de manera rápida, incluso en la misma obra. Es práctica usual realizar al menos un ensayo estático de carga de tipo convencional en un pilote ensayado dinamicamente, con objeto de correlacionar la resistencia estática y dinámica del pilote. En el caso de que exista ya experiencia local en pilotes similares con parecidas condiciones del subsuelo, se puede obviar el ensayo estático de carga.

El otro método rápido de ensayo de carga es el denominado "Statnamic". La carga se aplica de manera casi estática, con duración del orden de 100 milisegundos, mientras que en el método dinámico era de pocos milisegundos, por lo que no se produce onda de choque ni efectos dinámicos, que en determinados casos pueden llegar a dañar al pilote. Se empuja el pilote de manera suave hasta la carga de prueba prevista, obteniéndose una curva carga-asiento directa e instantáneamente. La aceleración que sufre el pilote es de 1 g, mientras que en el ensayo dinámico es de 100 a 1000 g.

Para conseguir aplicar una carga importante de esta manera suave, se utiliza un ingenioso sistema  consistente básicamente en una cámara de combustión colocada en el centro de la cabeza del pilote, en la que se produce la ignición controlada de un combustible. La fuerza generada levanta un pistón sobre el que apoyan unos contrapesos importantes, del orden del 5 al 10% de la carga estática de prueba. Por el principio de acción y reacción, una fuerza centrada de igual magnitud comprime el pilote.

Los contrapesos pueden ser construidos "in situ", con materiales locales (hormigón o acero), de tipo modular, de manera que se pueden apilar sobre el pistón en piezas manejables de no más de 3 t de forma circular, con un hueco en el centro para dejar pasar un eje centrador, que sirve también de vía de escape de los gases de la combustión. El conjunto queda dentro de un contenedor cilíndrico exterior de chapa relleno de grava, que, al producirse la ignición y levantarse los contrapesos, rellena los espacios creados y amortigua la caída posterior de los contrapesos. Ultimamente se han desarrollado bastidores metálicos que simplifican la operación de frenado y sujección de los contrapesos.

La instrumentación consiste en una célula de carga que mide directamente la fuerza aplicada a la cabeza del pilote y en un sensor de desplazamientos por láser colocado en la cabeza del pilote, sobre el que incide un rayo láser de referencia desde 20 m de distancia. Se obtiene de este modo una curva carga- deformación de manera instantánea en la pantalla del ordenador portátil que recibe las señales.

En la se comparan los resultados obtenidos con dos pruebas estáticas de carga y una Statnamic en pilotes con carga de trabajo 1,55 MN (158 t) ensayados con carga de prueba 200 % de la de trabajo, 3,1 MN (316 t). Como se puede ver, los resultados son idénticos.

Se puede ensayar un pilote al día, con un costo sensiblemente inferior al de una prueba estática convencional.

En el "Libro Homenaje a José Antonio Jiménez Salas. Geotecnia en el año 2000" publicado por el Ministerio de Fomento, el Cedex y la Sociedad Española de Mecánica del Suelo e Ingenieria Geotécnica, se incluye un artículo de H.G. Poulos sobre métodos de ensayo de carga de pilotes, en el que se analiza los diferentes métodos y se concluye que el ensayo Statnamic es el que suministra más información sobre el comportamiento del pilote bajo carga.
MÉTODO SÓNICO

En el ensayo sónico de integridad de pilotes se utiliza un equipo desarrollado por el Instituto TNO de Holanda, que cuenta con más de veinticinco años de experiencia en este tipo de ensayos, habiendo ensayado millones de pilotes, y habiendo detectado centenares de pilotes con defectos más o menos serios.

El ensayo es del tipo de martillo de mano, cuyo golpe envía una onda de compresión a lo largo del fuste del pilote. Esta onda es reflejada por las discontinuidades del pilote, por su punta, o por cambios de sección o variaciones del terreno que lo rodea. Los movimientos consiguientes de la cabeza del pilote son captados por un acelerómetro. La señal del acelerómetro es amplificada y digitalizada por un sistema electrónico y convertida en medida de velocidad, que se presenta inmediatamente en la pantalla de un microcomputador portátil. La curva obtenida se puede archivar en el disco duro del equipo para su posterior tratamiento e impresión mediante ploter o impresora. El gráfico de velocidad de un pilote continuo aparece en la pantalla como una línea relativamente recta con dos picos. El primero de ellos es el causado por el impacto del martillo, mientras que el segundo es causado por la reflexión en la punta del pilote. El programa informático incorpora diferentes técnicas para mejorar y explotar las señales obtenidas, tales como suavizar y promediar los golpes de martillo, la obtención de la curva media de varios pilotes, y la amplificación de la señal con la profundidad de manera lineal o exponencial para compensar los efectos de pérdida de señal con la profundidad.

Los pilotes no requieren ninguna preparación especial, únicamente se necesita que se haya realizado ya el descabezado en el momento del ensayo, para que el golpe del martillo se realice sobre hormigón sano y la onda no refleje en discontinuidades o coqueras del hormigón poco compacto existente en la cabeza del pilote antes del descabezado. La edad mínima del hormigón en el momento del ensayo es de siete días, para garantizar un grado de endurecimiento y un módulo de elasticidad que permitan que la onda se propague. En ocasiones se han conseguido obtener buenas señales a edades incluso más tempranas. Los ensayos no producen ninguna interferencia en la marcha de la obra, ya que se pueden ensayar grupos de pilotes a medida que se van construyendo y descabezando, y suele bastar un día o dos de preaviso para la realización de los ensayos. El rendimiento es elevado, y en condiciones óptimas se pueden ensayar más de 100 pilotes al día.

El ensayo sónico también se puede utilizar en pilotes de cimentaciones antiguas, realizando previamente una cata por el lateral del encepado y dando el golpe del martillo y captando la onda en un lateral del pilote.

El ensayo se realiza según la norma ASTM D 5882-96
 
 
 
MÉTODO ULTRASÓNICO "CROSS-HOLE" Los ensayos se realizan con el equipo UMQA4, que utiliza tecnología puntera en el mundo. El método se basa en registrar el tiempo que tarda una onda ultrasónica en propagarse desde un emisor a un receptor que se desplazan simultáneamente por dos tubos paralelos sujetos a la armadura del pilote. El tiempo medido es función de la distancia entre el emisor y el receptor y de las características del medio atravesado.

En el caso de existir defectos en el camino de las ondas tales como inclusiones de tierra, oqueades, coqueras u otros que hagan alargar el tiempo de recorrido, en la gráfica del ensayo queda reflejada la variación y la profundidad a que se ha producido.

Los datos son almacenados de manera digital en el equipo, y las gráficas pueden ser impresas directamente en la obra o revisadas e impresas en gabinete. Para la realización del ensayo se precisa que en los pilotes el constructor deje instalados tubos para poder introducir las sondas hasta la profundidad que se quiera ensayar. Los requisitos para estos tubos son los siguientes: Los tubos deben ser preferentemente de acero, con diámetro mínimo 40 mm y preferiblemente 50 mm. Se pueden emplear tubos de plástico en pilotes cortos, pero es muy fácil que se deterioren durante el hormigonado y queden inservibles. Los empalmes deben realizarse con manguitos roscados, ya que las uniones soldadas pueden producir rebabas que dificulten el paso de las sondas o deterioren los cables. Los extremos inferiores deben cerrarse herméticamente por medio de tapones metálicos, para impedir la entrada de elementos extraños y para evitar la pérdida del agua que deben contener durante el ensayo. Los extremos superiores deben también cerrarse para evitar la caída accidental de material hasta el momento de realización del ensayo. Sobresaldrán al menos 40 cm del hormigón del pilote. Los tubos deben llenarse de agua dulce limpia previamente al ensayo, y deberá comprobarse que no tienen obstrucciones, ni se producen pérdidas de agua. El número de tubos por pilote, según la norma francesa DTU 13.2, es el siguiente:
  • 2 tubos para diámetros de pilote inferiores o iguales a 60 cm.
  • 3 tubos para diámetros de pilote hasta 120 cm.
  • 4 tubos para diámetros de pilote superiores a 120 cm.
Los pilotes deben estar accesibles y sin presencia de agua. El hormigón no tiene, en general, menos de una semana en el momento del ensayo. Es recomendable disponer de un plano con la identificación de los pilotes, su longitud aproximada, e información sobre posibles incidencias durante su construcción. En condiciones óptimas, se pueden realizar más de 130 m de ensayo a la hora.

El ensayo se realiza según la norma NF P 94-160-1.


 
 
 
 
 
 
 
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