INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería yArquitectura

Unidad Zacatenco

Mecánica de Suelos III

Academia de Geotecnia

ING. Ricardo Rodríguez González

Cimentaciones Profundas (Pilas y Pilotes)

Realizado por Martínez Robles Luis Uziel

6CV7

PILAS

Las pilas son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de lospilotes en sus dimensiones. Las pilas tienen usualmente sección transversal circular y por logeneral llevan armado longitudinal y transversal. Su diámetro varía entre 0.8 y 2.2m. Lascaracterísticas de las pilas se enumeran a continuación:

Datos Técnicos.

-Pueden resistir cargas axiales superiores a las 500 toneladas e incluso alcanzar las 1000toneladas.

-Su altura promedio es de 35m, pudiendo construirse sobre el nivel freático.

-Soportan cargas horizontales e inclinadas, con buena resistencia a flexión.

-Su construcción no afecta los edificios colindantes, pues no se producen vibraciones por locual se pueden ubicar próximas a lindero.

-El lapso de servicio es prácticamente ilimitado, aun en medios agresivos, tal como ocurreen las construcciones costeras, o en pilas de puentes sobre ríos.

-Transfieren las cargas a estratos profundos, lo cual es especialmente ventajoso cuando existeel peligro de socavación por las corrientes fluviales y marítimas, o las mareas.

-Pueden construirse sin cabezales, o con cabezales de reducidas dimensiones.

Pueden ser excavadas o perforadas, y trabajan por punta o fricción lateral. Si las pilasdescansan en roca dura, solo se toma en cuenta su resistencia por punta, como una columnao pilar de grandes dimensiones, despreciándose su resistencia por fricción lateral. Perocuando el suelo es homogéneo de gran profundidad, la resistencia a la fricción alcanzamagnitudes importantes.

Debido a sus grandes dimensiones, las pilas pueden sufrir asentamientos, los cuales suelencontrolar el diseño. Para construir las pilas excavadas existen tres métodos diferentes:

Método en Seco.

Cuando la excavación no alcanza el nivel freático, y donde no exista el peligro de derrumbede las paredes del pozo excavado, como ocurre por ejemplo en los suelos arcillosos firmes yhomogéneos, se puede aplicar el método de excavación en seco. La forma m simple deexcavar es a mano, con palas, si bien este procedimiento queda limitado sólo a lasexcavaciones de poca profundidad, en suelos firmes.

Método con Camisas, Sistema Chicago, Gow y Benoto.

Cuando las condiciones del suelo son tales que existe el peligro de derrumbe de las paredesde la excavación, o cuando la pila se extiende más allá del nivel de agua subterránea, se usancamisas o tubos de gran diámetro para mantener el hueco en su forma hasta que se vacía elconcreto.

La más económica de las camisas es la de madera con anillos de acero, que se van clavandoa medida que la excavación desciende. Es el conocido “Método Chicago” pues fue usado porprimera vez por la compañía Sooy Smith en Chicago en 1894. La excavación se realiza amano en tramos de 60cm para arcillas blandas y de hasta 1.8m para arcillas firmes.

Método con Lodo Natural o Bentonitico.

Este método se conoce como excavación mojada y resulta especialmente indicada en suelosmuy blandos, donde es imposible mantener estables las paredes del pozo sin entubación.Cuando los estratos superiores son resistentes, el proceso puede comenzarse con el métodoen seco y al alcanzar estratos desmoronables en el subsuelo, se introduce la camisa y secontinúa la perforación, como se ha descrito previamente. Al alcanzar la profundidadnecesaria, se llena el tubo con lodo y se retira la camisa. Una de las ventajas de este métodopermite no tener que vaciar el concreto inmediatamente después de excavado el pozo, ya queel lodo estabiliza las paredes del mismo.

PILAS PERFORADAS

Usamos el término pila perforada para un agujero barrenado o excavado hasta el fondo de lacimentación de una estructura que luego se rellena con concreto. Dependiendo de lascondiciones del suelo se usan revestimientos o entabladuras (tablones o ademes) paraprevenir que el suelo alrededor del ahujero se desplome durante la construcción. El diámetrode la pila debe ser suficientemente grande para que una persona pueda entrar a inspeccionar.

El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene varias ventajas:

1. Se usa una sola pila perforada en vez de un grupo de pilotes con capuchón.2. La construcción de pilas perforadas en depósitos de arena densa y grava es más fácil

que hincar pilotes.3. Las pilas perforadas se contruyen antes de terminar las operaciones de nivelación.4. Cuando los pilotes son hincados a golpe de martillo, la vibración del terreno ocasiona

daños a estructuras cercanas, problema que se evita con el uso de pilas perforadas.5. Los pilotes hincados en suelos arcillosos producen levantamiento del terreno y

ocasionan que pilotes ya antes hincados se muevan literalmente, lo que no ocurredurante la construcción de pilas perforadas.

6. No se tiene ruido de martilleo durante la construcción de pilas perforadas, tal comopasa con el hincado de pilotes.

7. Como la base de una pila perforada se amplía, ésta proporciona una gran resistenciaa cargas de levantamiento.

8. La superficie sobre la cual la base de la pila perforada se construye debeinspeccionarse visualmente.

9. La construcción de pilas perforadas utiliza generalmente equipo movil, que, bajocondiciones apropiadas del suelo, resulta más económico que los métodos usadospara la construcción de cimentaciones de pilotes.

10. Las pilas perforadas tienen alta resistencia a cargas laterales.

Existen tambien varias desventajas en el uso de pilas perforadas. La operación de coladopuede demorarse por mal tiempo y siempre requiere de una cuidadosa supervisión. Además,como en el caso de cortes apuntalados, las excavaciones profundas para pilas perforadasinducen pérdidas considerables de terreno y ocasionan daños a las estructuras cercanas.

Tipos de Pilas Perforadas.

Las pilas perforadas seclasifican de acuerdo con lamanera en que se diseñan paratransferir la carga estructural alsubsuelo.

1. Pila recta; (b) y (c) pilaacampanada; (d) pilarecta empotrada enroca.

PILA RECTA, extendida a través de la capa superior de suelo pobre y su punta descansasobre un estrato de suelo o roca con capacidad de carga. El barreno debe revestirse con acerocuando se requiera. Para tales pilas, la resistencia a la carga aplicada se desarrolla en la puntay tambien como resultado de la fricción lateral en el perímetro de la pila y la interfaz con elsuelo.

PILA ACAMPANADA, consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansasobre un suelo resistente. La campana se contruye con forma de domo o de escarpio. Paracampanas de escarpio, las herramientas o cortadores comercialmente disponibles formanangulos de 30° a 45° con la vertical.

Los pilotes rectos también se extienden hasta un estrato de roca. En el calculo de la capacidadde carga de tales pilas, el esfuerzo cortante y el de la carga desarrollados a lo largo delperímetro de la pila y en la interfaz con la roca deben tomarse en consideración.

PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION

Uno de los métodos más viejos de construcción de pilas perforadas es el método Chicago.Para éste, se excavan manualmente agujeros circulares con diámetros de 1.1m o mayores aprofundidades de 0.6 a 1.8m. los lados del agujero excavado se forran entonces con tablonesverticales, mantenidos firmemente en su posición por dos anillos circulares de acero. Despuesde colocar los anillos, la excavación se continúa por otros 0.6 a 1.8m. cuando se alcanza laprofundidad deseada, se procede a excavar la campana. Cuando se termina la excavación, elagujero se rellena con concreto.

En el método Gow, el agujero se excava a mano. Forros metálicos telescópicos se usan paramantener el barreno. Los forros son retirados uno a la vez conforme avanza el colado. Eldiametro minimo e una pila perforada Gow es de aproximadamente 1.22m. cualquier seccióndel forro es aproximadamente 50mm menor en diámetro que la sección inmediatamentearriba de alla. pilas de hasta 30m se logran con este método.

La mayor parte de las excavacioones se hace ahora mecánicamente y no a mano. Las barrenashelicoidales son herramientas comunes de excavación, que tienen bordes o dientes cortantes.Aquellas con bordes cortantes se usan principalmente para perforar suelos blandos yhomogéneos; aquellas con dientes cortantes se usan en suelos o lechos duros. La barrena seconecta a una flecha cuadrada llamada Kelly que se hinca en el suelo y se hace girar. Cuandola hélice está llena con suelo, la barrena se levanta por arriba de la superficie del terreno y elsuelo se descarga haciendo girar la barrena a alta velocidad. Esas barrenas se consiguen envarios diámetros; a veces son tan grandes como 3m o mayores.

Cuando la excavación se extiende hasta el nivel del estrato de carga, la barrena se reemplaza,en caso necesario, por herramientas ensanchadoras para formar la campana.

Un trépano ensanchador consiste esencialmente en un cilindrocon dos hojas cortadoras articuladas a la parte superior delcilindro. Cuando el trépano se baja en el agujero, las hojascortadoras permanecen plegadas dentro del cilindro. Cuando sealcanza el fondo del agujero, las hojas se despliegan hacia afueray se hace girar el trépano. El suelo suelto cae dentro del cilindroque es elevado y vaciado periódicamente hasta que se termina deformar la campana. La mayoría de los trépanos llegan a cortar campanas con diámetros tangrandes como tres veces el diámetro de la flecha.

Otro dispositivo cortador muy común es el taladro tipocucharón. Se trata esencialmente de un cucharón conuna abertura y bordes cortantes en el fondo. Elcucharón se une al Kelly y se hace girar. El suelo sueltose recoge en el cucharón que es elevado y vaciadoperiódicamente. Agujeros de hasta 5 a 5.5m dediámetro se perforan con este tipo de equipo.

Cuando se encuentra roca durante la perforación, seusan barriles de extracción con dientes de carburo detungsteno. Los barriles de granalla tambiém se usanpara perforar en roca muy dura. El vástago deperforación se conecta a la placa del barril de granalla,el cual tien algunas ranuras a través de las cuales sesuministran granallas de acero al fondo del agujeroperforado. Las granallas cortan la roca cuando el barril

es girado. A través del vástago se suministra agua al agujero perforado. Las partículas finasde roca y acero (producidas por el molido de las granallas) son lavadas hacia arriba y seasientan en la parte superior del barril.

La máquina Benoto es otro tipo de equipo perforador generalmente usado cuando lascondiciones de perforado son difíciles y se encuentran muchos boleos en el suelo. Consisteesencialmente en un tubo de acero que oscila y se empuja en el suelo. Una herramientallamada cuchara perforadora, provista con hojas y quijadas cortadoras, se usa para romperel suelo y la roca dentro del tubo y luego retirarlos.

Inspección del dondo del agujero.

En algunas ocasiones, el fondo del agujero debe inspeccionarse para tener la seguridad deque el estarto de apoyo es como se anticipó y que la campana está apropiadamente construida.Por esa razones, un inspector debe descender al fondo del agujero. Varias medidas deseguridad deben observarse durante este procedimiento:

1. Si no se tiene aún un ademe en el agujero, el inspector debe ser bajado por grúa paraimpedir que el agujero y la campana se desplomen.

2. Debe revisarse que el agujero no contenga gases explosivos o venenosos, lo que sehace usando una lámpara de seguridad de minero.

3. El inspector debe vestir un arnés de seguridad.4. El inspector debe portar también una lámpara de segurridad y un tanque de aire.

PILOTES

Son miembros estructurales hechos de acero, concreto y/o madera y son usados para construircimentaciones, cuando son profundas y cuestan más que las cimentaciones superficiales. Apesar del costo, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridadestructural. La sigente lista identifica algunas condiciones que requieren cimentaciones depilotes.

1. Cuando el estarto o estratos superiores del suelo son altamente compresibles ydemasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura se usanpilotes para transmitir la carga al lecho rocoso o a una capa dura. cuando no seencuentra un lecho rocoso a una profundidad razonable debajo de la superficie delterreno los pilotes se usan para transmitir la carga estructural gradualmente al suelo.La resistencia a la carga estructural aplicada se deriva principalmente de la resistenciaa fricción desarrollada en la interfaz suelo-pilote.

2. Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resistenpor flexión mientras soportan aún la carga vertical transmitida por la superestructura.Este tipo de situación se encuentra generalmente en el diseño y construcción deestructuras de retención de tierra y en la cimentación de estructuras altas que estánsometidas a fuerzas grandes de viento y/o sísmicas.

3. En muchos casos, suelos expansivos y colapsables están prsentes en el sitio de unaestructura propuesta y se extienden a gran profundidad por debajo de la superficie delterreno. Los suelos expansivos se hinchan y se contraen conforme al contenido deagua crece y decrece y su presión de expansión es considerable. Si se usancimentaciones superficiales en tales circunstancias, la estructura sufrirá dañosconsiderables. Sin embargo, las cimentaciones con pilotes se consideran como unaalternativa cuando éstos se extienden más allá de la zona activa de expansión ycontracción.

Tipos de Pilotes y sus Características Estructurales.

En los trabajos de construcción se usan diferentes tipos de pilotes, dependiendo del tipo decarga por soportarse, de las condiciones del subsuelo y de la localización del nivel freático.Los pilotes se dividen en las siguientes categorías: (a) de hacer, (b) de concreto, (c) de maderay (d) pilotes compuestos.

Pilotes de Acero

Los pilotes de acero son generalmente a base de tubos o de perfiles H laminados. Los pilotesde tubo se hincan en el terreno con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas de acero depatín ancho y de sección I también se usan. Sin embargo, se prefieren los perfiles H porquelos espesores de sus almas y patines son iguales. En las vigas de patín ancho y sección I, losespesores del alma son menores que los espesores de los patines.

Cuando es necesario, los pilotes de acero se empalman por medio de soldadura, remaches otornillos. Cuando se esperan condiciones difíciles de hincado, como a través de grava densa,lutitas y roca blanda, los pilotes de acero usan adaptados con puntas o zapatas de hincado.

Los pilotes de acero llegan a estar sometidos a corrosión, como en suelos pantanosos, lasturbas y otros suelos orgánicos. Los suelos con un PH mayor que 7 no son muy corrosivos.Para compensar el efecto de la corrosión se recomienda considerar un espesor adicional deacero.

Pilotes de Concreto.

Los pilotes de concreto se dividen en dos categorías: (a) pilotes prefabricados y (b) coladosin situ. Los prefabricados se preparan usando refuerzo ordinario y son cuadrados uoctacgonales en su sección transversal. El refuerzo se proporciona para que el pilote resistael momento flexionante desarrollado durante su manipulación y transporte, la carga verticaly el momento flexionante causado por carga lateral. Los pilotes son fabricados a laslongitudes deseadas y curados antes de transportarlos a los sitios de trabajo.

Los pilotes colados in situ se contruyen perforando un agujero en el terreno y llenándolo conconcreto. Varios tipos de pilotes de concreto colados in situ se usan actualmente en laconstrucción. Esos pilotes se dividen en dos amplias categorías: (a) ademados y (b) noademados. Ambos tienen un pedestal en el fondo.

Los pilotes ademados se hacen incando un tubo de acero en el terreno con ayuda de unmandril colocado dentro del tubo. Cuando el pilote alcanza la profundidad apropiada, se retirael mandril y el tubo se llena de concreto.

Los pilotes no ademados se hacen hincando primero el tubo a la profundidad deseada yllenándolos con concreto fresco. El tubo se retira gradualmente.

Pilotes de Madera.

Los de madera son troncos de árboles cuyas ramas y corteza fueron cuidadosamenterecortadas. La longitud máxima de la mayoría de los pilotes de madera es de entre 10 a 20m.para calificar como pilote, la madera debe ser recta, sana y sin defectos. El Manual ofPrectice, No. 17 (1959) de la American Sociaty Of Civil Engineers, los divide en tres clases:

1. Pilotes clase A que soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del fuste debe ser356mm.

2. Pilotes clase B que se usan para tomar cargas medias. El diámetro mínimo del fustedebe ser de entre 305 a 330mm.

3. Pilotes clase C que se usan en trabajos provisionales de construcción. Estos se usanpermanentemente para estructuras cuando todo el pilote está debajo del nivel freático.El diámetro mínimo del fuste debe ser 305mm.

En todo caso, la punta del pilote no debe tener un diámetro menor que 150mm. Los pilotesde madera no resisten altos esfuerzos al hincarse; por lo tanto, su capacidad se limita aaproximadamente 25 a 30 toneladas. Se deben usar zapatas de acero para evitar daños en lapunta del pilote. La parte superior de los pilotes de madera también podrían dañarse al serhincados, para evitarlo se usa una banda metálica o un capuchón o cabezal. Debe evitarse elempalme de los pilotes de madera, particularmnete cuando se espera que tomen cargas detensión o laterales.

Sin embargo, si es necesario, éste se hace usando manguitos de tubo o soleras metálicas contornillos. La longitud del manguito de tubo debe ser por lo menos de cinco veces el diámetrodel pilote.

Pilotes compuestos.

Las porciones superior e inferior de los pilotes compuestos están hechos de diferentesmateriales, por ejemplo, se fabrican de acero y concreto o de madera y concreto. Los pilotesde acero y concreto consisten en una porción inferior de acero y en una porción superior deconcreto colado en el lugar. Este tipo es el usado cuando la longitud del pilote requerido paraun 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 delnivel permanente del agua y en una porción superior de concreto. En cualquier caso, laformacion de juntas apropiadas entr dos materiales diferentes es difícil y por eso, los pilotescompuestos no son muy usados.

Estimación de la Longitud del Pilote.

Seleccionar el tipo de pilote por usar y estimar su longitud necesaria son tareas bastantedifíciles que requieren buen juicio. Además de la clasificación, los pilotes se dividen en trescategorías principales, ependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia decarga al suelo: (a) de carga de punta, (b) de fricción y (c) de compactación.

Pilotes de Carga de Punta.

Si los registros de perforación establecen la presencia de lechos de roca o de material rocosoa una profundidad razonable, los pilotes se extienden hasta la superficie de la roca. En estecaso, la capacidad última de los pilotes depende por completo de la capacidad de carga delmaterial subyacente; entonces son llamados pilotes de carga de punta. En la mayoría de loscasos, la longitud necesaria del pilote debe ser establecida lo más preciso.

Si en vez de un lecho rocoso se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a unaprofundidad razonable, los pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro del estrato duro.

Pilotes de fricción.

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

Éstos se denominan pilotes de fricción porque la mayor parte de la resistencia se deriva de lafricción superficial. La longitud de estos pilotes depende de la resistencia cortante del suelo,de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Para determinar las longitudes necesarias, uningeniero requiere de un buen entendimiento de la interpretación suelo-pilote, de buen juicioy de experiencia.

Pilotes de compactación.

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

Instalación de Pilotes.

La mayoría de los pilotes son hincados en el terreno por medio de martillos o hincadoresvibratorios. En circunstancias especiales, los pilotes también se insertan por chorro de aguaa gran presión o barrenado parcial. Los tipos de martillos usados para el hincado de pilotesson (a) martillo de caída libre, (b) martillo de aire o vapor de acción simple, (c) martillo deaire o vapor de acción doble y diferencial y (d) martillo diesel. En el hincado, un capuchón ocabezal se conecta a la parte superior del pilote. Un cojinete es usado entre el pilote y elcapuchón, con la finalidad de reducir la fuerza de impacto y repartirla sobre un tiempo máslargo; sin embargo, su uso es opcional. Un cojinet se coloca sobre el capuchón del pilote. Elmartillo cae sobre el cojinete.

Un martillo de caída libre se levanta por medio de un malacate y se deja caer desde una ciertaaltura H, siendo el de martillo el tipo más viejo para hincar pilotes, con su principal desventajala pequeña frecuencia de sus golpes. El principio del martillo de aire de acción simple omartillo de vapor, en este caso, la parte precursiva o martinete, se eleva por la presión delaire o vapor y luego se deja caer por gravedad. La operación del del martillo de aire o vaporde acción doble y diferencial, se usa aire o vapor para elevar el martinete y también paraempujarlo hacia abajo, incrementando la velocidad del impacto. El martillo diesel consisteesencialmente de un martinete, un yunque y un sistema de inyección de combustible, elmartinete se eleva primero y se intecta combustible cerca del yunque. Luego se seulta el

martinete; al caer la mezcla de aire y combustible se comprime y genera ignición. Esta acciónempuja al pilote hacia abajo y levanta al martinete.