Cimentaciones Profundas

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CIMENTACIONES PROFUNDAS

Presentado por: Camilo Alejandro Macias Vera Cód: 2120278 María Angélica Orellano Durán Cód: 2123645 Sebastián Sanmiguel Hernández Cód: 2120269

Profesor José Alberto Rondón

FUNDACIONES I

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE FÍSICO MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL BUCARAMANGA 23 AGOSTO/ 2016

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INTRODUCCIÓN

Todo proyecto de obra civil está compuesto de dos partes principales: La superestructura y la subestructura. En el caso de edificaciones, la primera hace alusión al conjunto de elementos que conforman el sistema estructural como lo son losas, muros, columnas, vigas, etc. Mientras que, la segunda tiene como función principal transmitir las cargas de la superestructura al suelo donde ésta se soportará. Cuando se comienzan a realizar las respectivas excavaciones para la ejecución de la obra, se pueden presentar diferentes aspectos adversos con relación a las características del suelo y no encontrar cerca a la superficie material competente que soporte la carga requerida; en esos casos se deben alcanzar relativamente grandes profundidades hasta hallar la capa de suelo óptima o en ciertos casos llegar a un punto tal donde se garantice la disipación de esfuerzos sobre área considerable. En consecuencia para estos casos, es necesario el uso de cimentaciones profundas. El calificativo “profundas” es un término relativo, ya que cada autor especialista en éste tema ha dado un parámetro de profundidad diferente y no hay un criterio unificado que establezca a partir de que cota de fondo se considera como este tipo de cimentación. Por lo anterior, este trabajo está enfocado en el desarrollo más a fondo de la aplicación e implementación de este tipo de fundaciones.

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TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCION ¿QUÉ ES UNA CIMENTACIÓN? ¿QUÉ ES UNA CIMENTACION PROFUNDA? ANTECEDENTES HISTÓRICOS CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES SEGÚN SU FORMA DE TRABAJO Pilotes rígidos de primer orden Pilotes rígidos de segundo orden Pilotes flotantes SEGÚN EN MÉTODO CONSTRUCTIVO Pilotes hincados Pilotes hincados y vaciados in-situ Pilotes de desplazamiento con azuche Pilotes de desplazamiento con tapón de gravas Pilotes de extracción con entubación recuperable Pilotes de extracción con camisa perdida Pilotes de extracción sin entubación con lodos tixotrópicos Pilotes barrenados sin entubación Pilotes barrenados hormigonados por el tubo central de la barrena Pilotes de gato Cajones de cimentación (Caissons) SEGÚN EL DIÁMETRO DEL PILOTE Micro pilote Pilote Pila SEGÚN LA SECCIÓN TRANSVERSAL SEGÚN EL MATERIAL Pilotes de acero Pilotes de madera Pilotes de madera sin tratar Pilotes de madera tratada Pilotes de Hormigón INSTALACIÓN Y PUESTA EN OBRA PILOTES EN GRUPO CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA EN PILOTES CAPACIDAD DE SOPORTE EN PILOTES HINCADOS MÉTODO ESTÁTICO En suelo cohesivo En suelo no cohesivo MÉTODO DINÁMICO CAPACIDAD DE SOPORTE EN PILOTES EXCAVADOS En suelo cohesivo CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE EN PILOTES

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CASO ESPECIAL: FRICCIÓN NEGATIVA BIBLIOGRAFÍA

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1. ¿QUÉ ES UNA CIMENTACIÓN? Según Braja M. Das, en su libro de fundamentos de ingeniería geotécnica da la siguiente definición: “La parte inferior de una estructura se denomina generalmente cimentación y su función es transferir la carga de la estructura al suelo en que ésta descasa. Una cimentación adecuadamente diseñada es la que transfiere la carga a través del suelo sin sobresforzar a éste. Sobresforzar al suelo conduce a un asentamiento excesivo o bien una falla cortante del suelo, provocando daños en la estructura.” Propósitos:  Ser suficientemente resistentes para no romper por cortante.  Soportar esfuerzos de flexión que produce el terreno, para lo cual se dispondrán armaduras en su cara inferior, que absorberán las tracciones.  Acomodarse a posibles movimientos del terreno.  Soportar las agresiones del terreno y del agua y su presión, si la hay.

2. ¿QUÉ ES UNA CIMENTACIÓN PROFUNDA? Son aquellos elementos que transmiten la carga de una estructura hacia capas o estratos profundos del subsuelo, evitando con ello, el desplante en suelos superficiales de baja capacidad de carga o de alta deformación. Se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las cargas aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno. Por eso deben ser más profundas, para poder proveer sobre una gran área sobre la que distribuir un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Existen ciertas condiciones en obra en las cuales es necesario implementar este tipo de fundaciones:        

Construcciones de área considerable de trabajo. Obras con cargas altas donde no se pueden utilizar cimientos convencionales. Cuando los estratos superiores del suelo son altamente compresibles y/o de escasa capacidad de carga. Cuando se requiere mejorar el comportamiento de cimentaciones en estructuras sujetas a carga lateral, ya sean edificios altos con cargas de viento y/o sismo o en estructuras de retención de tierra. En suelos inestables y con riesgo de colapso, siempre y cuando su profundidad de desplante este por debajo de la zona activa de expansión o de cambios en el contenido de agua. Cuando se debe soportar otras obras como muros de contención, contrafuertes o cimientos de máquinas. Cuando es necesario proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones, momentos de volteo o cualquier efecto que trate de levantar la estructura. Edificaciones sobre agua

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

Para resistir cargas inclinadas, como aquellos pilotes que se colocan en los muelles para resistir el impacto de los cascos de barcos durante el atraque.

Figura 1. Condiciones para implementar pilotes Para elegir correctamente un determinado tipo de cimentación es necesario seguir un procedimiento: 1. Estudiar las cargas a soportar y su compatibilidad respecto a las características del suelo. Para ello es necesario la implementación de ensayos que garanticen resultados cercanos a la realidad y de allí partir para los respectivos diseños estructurales. 2. Determinar la capacidad de carga del suelo y los asentamientos probables 3. Analizar un abanico de posibilidades comparando cada uno de los tipos de cimientos 4. Por último, elegir el cimiento más adecuado atendiendo a: el tipo de subsuelo, rapidez de construcción, adaptabilidad y economía. 3. ANTECEDENTES HISTÓRICOS Existen registros bibliográficos que datan desde los años precedidos a Cristo, y a continuación se enumeran cronológicamente diferentes hechos que dieron pie a la evolución en la construcción de pilotes hasta como los conocemos hoy en día:  400 a.C, Herodoto explica que una tribu africana vivía en una zona levantada con pilotes, ya que cada vez que un hombre quería contraer matrimonio, tenía que hincar 3 pilotes.

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 En imperios como el romano, griego y fenicio, la labor principal del cimiento era ser usado en construcciones portuarias como protección a la ribera del río.  Vitrubio, un arquitecto romano del siglo 0, describe sobre técnicas constructivas para implementar pilotes y tablestacas.  Años más tarde en el siglo VIII, Venecia comenzó a construirse mediante pilotajes ya que el suelo sobre el cual querían empezar a cimentar era una zona pantanosa del Río Po. Esta localización fue estratégica para que los primeros italianos se protegieran de los invasores del este de Europa y al mismo tiempo, mantener su cercanía al mar y relaciones comerciales.  Hace 4000 años, en Europa se visualizaron los primeros pilotes para construir zonas elevadas sobre las orillas de lagos, como en el Lago de Ginebra y a orillas de otros cuerpos de agua en países como Suiza, Francia, Escocia e Irlanda.  La ciudad de Ámsterdam, fundada hace 1000 años se construyó sobre pilotes de 15 y 20m de profundidad.  En el siglo XV, los descubridores españoles dieron a Venezuela ese nombre, el cual significaba “la pequeña Venecia”, debido a que los indios vivían en chozas construidas sobre pilotes en las lagunas que rodean las costas del Lago de Maracaibo. En general los anteriores ejemplos de cimientos, se diseñaban basado en la experiencia o simplemente se confiaba en la divina providencia para que éste no colapsará. Por otro lado, el material utilizado era la madera, ya que su abundancia en el mercado y su fácil maniobrabilidad lo convirtieron en el material insignia. Sin embargo, un aspecto desfavorable en común era la pudrición de los pilotes como consecuencia de los cambios de humedad. Siglo XIX & XX  En el siglo XIX empezaron los cambios importantes, tanto en los materiales de los pilotes como en su ejecución. Algunos de ellos fueron: - En 1830 se empezaron a usar los pilotes metálicos de forma tubular. - En 1824, Joseph Aspdin patentó el cemento Portland y en las mismas fechas, en Francia aparece el hormigón armado. - De igual forma, a inicios de siglo en Inglaterra comenzó el uso de maquinaria a vapor para levantar masas. - En 1897, Raymond patentó su sistema de pilotes.  Mientras que en el siglo pasado, las novedades se enfocaron en su mayoría a la excavación, métodos para el recubrimiento de los pilotes con camisas fijas o extraíbles, ensanchamiento en la base de los pilotes, entre otros. Es por ello, que simultáneamente se produjo un avance en la maquinaria utilizada. Por ejemplo, desde 1946 empiezan a aparecer las maquinas DIESEL para hincar pilotes, el peso de las mismas era fue más ligero y los diámetros de perforación abarcaron un mayor rango. Actualmente, las nuevas tecnologías han permitido alcanzar mayores profundidades, exactitud en los diámetros de perforación, hincar pilotes prefabricados o ejecutados insitu, etc. Lo anterior, regido por normas y manuales que indican parámetros de diseño, construcción y mantenimiento.

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4. CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES Los pilotes pueden tener diferentes formas de clasificación, dentro de las más importantes están según su forma de trabajo, según el sistema constructivo, según el diámetro del pilote, según la sección transversal y según el material. 4.1 SEGÚN SU FORMA DE TRABAJO: 4.1.1

4.1.2

4.1.3

Pilotes rígidos de primer orden: Funcionan principalmente como una columna que al soportar una carga sobre su extremo superior, desarrollan su capacidad de carga con apoyo directo sobre un estrato resistente. El pilote trabaja por punta, clavado a gran profundidad. Las puntas de los pilotes se clavan en terreno firme; de manera que se confía en el apoyo en ese estrato, aún si hubiere una pequeña descarga por rozamiento del fuste al atravesar estratos menos resistentes. Lo cual denota que las fuerzas de sustentación actúan sobre la punta del pilote, y en menor medida mediante el rozamiento de la superficie lateral del pilote. Esta acción lateral del terreno elimina el riesgo de pandeo. Los pilotes rígidos de primer orden son el mejor apoyo y el más seguro, porque se apoya en un terreno de gran resistencia. Pilotes rígidos de segundo orden: Son aquellos que al estar soportando una carga sobre su cabeza dentro de un estrato profundo de suelos menos firmes como un estrato profundo de suelo granular o coherente. En este caso se debe utilizar un pilote rígido de segundo orden y éste se debe profundizar hasta que la punta llegue a encontrar terreno firme de mayor espesor. Este tipo de pilote transmite su carga al terreno por punta, pero también descarga gran parte de los esfuerzos de las capas de terreno que ha atravesado por rozamiento lateral. La punta al perforar la primera capa firme, puede sufrir asientos diferenciales considerables. Pilotes flotantes: Cuando el terreno donde se construye posee el estrato a gran profundidad; en este caso los pilotes están sumergidos en una capa blanda y no apoyan en ningún estrato de terreno firme, por lo que la carga que transmite al terreno lo hace únicamente por efecto de rozamiento del fuste del pilote, su valor resistente es en función de la profundidad, diámetro y naturaleza del terreno. Se calcula la longitud del pilote en función de su resistencia. En forma empírica sabemos que los pilotes cuya longitud es menor que la anchura de obra, no pueden soportar su carga.

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Figura 2. Pilotes según su forma de trabajo 4.2 SEGÚN EL SISTEMA CONSTRUCTIVO: 4.2.1 Pilotes hincados: Consisten en unidades prefabricadas, usualmente de madera, concreto o acero, hincados hacia el suelo mediante martillos a vapor, neumáticos, diésel, o vibratorios, hasta que se alcanza la profundidad del estrato resistente y se produzca el rechazo del suelo en caso de ser un pilote que trabaje por punta, o de llegar a la profundidad de diseño, en caso de ser un pilote que trabaje por fricción.

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Figura 3. Pilotes hincados. Los pilotes hincados podrán estar constituidos por un único tramo, o por la unión de varios tramos, mediante las correspondientes juntas, debiéndose, en estos casos, considerar que la resistencia a flexión, compresión y tracción del pilote nunca será superior a la de las juntas que unan sus tramos. Son relativamente caros ya que están fuertemente armados para resistir los esfuerzos durante el transporte y el clavado en el terreno. La punta va reforzada con una pieza metálica especial para permitir la hinca o el clavado. Una vez hincado o clavado en el terreno, este ejerce sobre el pilote y en toda su superficie lateral, una fuerza de adherencia que aumenta al continuar clavando más pilotes en las proximidades, pudiendo conseguir mediante este procedimiento, una consolidación del terreno. Ventajas:      

El material del pilote puede ser inspeccionado antes de introducirlo en el suelo. Es estable en suelo exprimible. No se daña con el levantamiento del terreno ocasionado por el hundimiento de pilotes adyacentes. El procedimiento de construcción no se ve afectado por el agua subterránea. Pueden ser llevados fácilmente por encima del nivel del terreno, especialmente en estructuras marítimas. Pueden ser hundidos en longitudes muy largas.

Desventajas:   

Se pueden romper durante hundimientos difíciles, o peor aún, pueden sufrir daños mayores no visibles en condiciones difíciles de hundimiento. No son económicos si la cantidad de material en el pilote depende de los esfuerzos de manejo y hundimiento más que de los esfuerzos de carga permanente. El ruido y la vibración durante el hundimiento pueden causar molestias o daños.

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  

4.2.1

El desplazamiento de suelo durante el hundimiento de pilotes en grupo puede dañar estructuras adyacentes o causar levantamiento de pilotes adyacentes al levantar el suelo. No pueden ser hundidos en diámetros muy grandes. No se pueden hundir en condiciones de poco espacio. Se procede a extraer el tubo cuidando que quede un mínimo de concreto que deberá ser el doble de su diámetro interno, para impedir el ingreso de agua por la parte inferior de la entubación. Pilotes hincados y vaciados in situ: Son aquellos que se ejecutan en excavaciones previas realizadas en el terreno. Se diferencian los siguientes tipos: pilotes de desplazamiento con azuche, pilotes de desplazamiento con tapón de gravas, pilotes de extracción con entubación recuperable, pilotes de extracción con camisa perdida, pilotes de extracción sin entubación con lodos tixotrópicos, pilotes barrenados sin entubación, pilotes barrenados, hormigonados por el tubo central de la barrena y pilotes de desplazamiento por rotación.

Figura 4. Pilotes hincados y vaciados in situ.  Pilotes de desplazamiento con azuche: Se utilizan cuando los pilotes poseen diámetros pequeños (se considera entre 30 y 65 cm. aproximados) y el terreno es resistente pero poco estable. Se ejecuta la hinca con una entubación que posee un azuche de punta cónica o plana en su extremo inferior, la entubación puede ser metálica o de concreto. El azuche posee un diámetro exterior mayor en aproximadamente 5 cm. que el pilote, con la parte superior cilíndrica ya preparada para introducir en el extremo inferior de la entubación. Con golpes de maza o

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martillo se hinca desde la parte superior de la entubación y se encaja hasta la profundidad que se requiere para el pilotaje. Luego se extrae la entubación con la precaución de que quede un mínimo de concreto igual a 2 veces el diámetro interior; de esta manera se impide la entrada de agua por la parte inferior. La forma de extraer la entubación es con un golpe en la cabeza, logrando el efecto de vibrado del concreto. Figura #. Pilotes de desplazamiento con azuche.  Pilotes de desplazamiento con tapón de gravas: Este sistema se realiza por una hinca y entubación por golpe sobre un tapón de gravas u concreto, introducido antes en la entubación. El concreto se coloca en pequeñas tongadas y se va compactando hasta obtener

un tapón que debe tener como mínimo tres veces el diámetro del pilote. Con la presión ejercida por las paredes del tubo se va progresivamente efectuando un desplazamiento lateral del terreno, llegando con el tubo hasta la profundidad calculada para el pilotaje. El golpe de maza desaloja el tapón del tubo y queda ensanchada la punta de los pilotes. Luego se coloca la armadura, se quita la camisa y se realiza la hormigonada por tongadas. Finalmente se apisona o se vibra para garantizar la continuidad del cuerpo del pilote. Se procede a extraer el tubo cuidando que quede un mínimo de concreto que deberá ser el doble de su diámetro interno, para impedir el ingreso de agua por la parte inferior de la entubación. Figura #. Pilotes de desplazamiento con tapón de gravas.

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  Pilotes de extracción con entubación recuperable: Este tipo de pilote se ejecuta excavando el terreno y utilizando una camisa (tubo metálico a modo de encofrado), que evita que se derrumbe la excavación. Una vez completado el vaciado, y según se va hormigonando el pilote, se va retirando gradualmente la camisa, que puede ser reutilizada nuevamente. Usualmente como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca. También como pilotaje trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme, prácticamente homogéneo.

Figura #. Pilotes de extracción con entubación recuperable.

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 Pilotes de extracción con camisa perdida: Se ejecuta por el mismo sistema del tipo in situ de extracción con entubación recuperable, con la diferencia de que la camisa metálica no se extrae, sino que queda unida definitivamente al pilote. Usualmente como pilotaje trabajando por punta apoyado en roca o capas duras de terreno y siempre que se atraviesen capas de terreno incoherente fino en presencia de agua, o exista flujo de agua y en algunos casos con capas de terreno coherente blando; cuando existan capas agresivas al hormigón fresco. La camisa se utilizará para proteger un tramo de los pilotes expuesto a la acción de un terreno agresivo al hormigón fresco o a un flujo de agua. La longitud del tubo que constituye la camisa será tal que, suspendida desde la boca de la perforación, profundice dos diámetros por debajo de la capa peligrosa.

Figura #. Pilotes de extracción con camisa perdida.

 Pilotes de extracción sin entubación con lodos tixotrópicos: Es un pilote de extracción, en el que la estabilidad de la excavación se confía a la acción de lodos tixotrópicos. Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno. Cuando se atraviesen capas blandas que se mantengan sin desprendimientos por efecto de los lodos.  Pilotes barrenados sin entubación: Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en capa de terreno coherente duro. También como pilotaje

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trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme prácticamente homogéneo o coherente de consistencia media en el que no se produzcan desprendimientos de las paredes.  Pilotes barrenados hormigonados por el tubo central de la barrena: Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno. También como pilotaje trabajando por fuste y punta en terrenos de compacidad o consistencia media, o en terrenos de capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia. Se trata de pilotes por desplazamiento de las tierras por medio de una barrena continua. Posteriormente se ejecuta el hormigonado por bombeo por el tubo central existente en el interior de la barrena. Este sistema resulta apropiado para suelos blandos e inestables y con presencia de agua. La armadura se introduce una vez perforado y hormigonado el pilote, por lo que genera el inconveniente de que debido a la densidad del hormigón, la longitud de armado no supera los 7,00-9,00 m.

Figura #. Instalación de pilotes barrenados. Ventajas:    

La longitud se puede ajustar fácilmente hasta alcanzar niveles variables en el estrato de carga. El tubo se hunde con un extremo cerrado, evitando el paso del agua subterránea. • Es posible formar una base agrandada en la mayoría de los tipos. El material del pilote no está determinado por los esfuerzos de manejo o hundimiento. El ruido y la vibración se pueden reducir en algunos tipos.

Desventajas:

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         

Puede ocurrir un desgaste o estrechamiento en el suelo a menos que se tenga mucho cuidado al colar con concreto el cuerpo del pilote. El fuste de concreto se puede debilitar si hay un gran flujo de agua artesiana hacia el exterior de éste. El concreto no puede ser inspeccionado después de terminado. Existen limitaciones en la longitud de hundimiento en la mayoría de los tipos. El desplazamiento del concreto puede dañar el concreto de pilotes adyacentes o causar levantamiento de los mismos al levantar el suelo. El ruido, la vibración y el desplazamiento del suelo puede causar molestias o daños a estructuras adyacentes. No pueden ser utilizados en estructuras de ríos o mares sin adaptaciones especiales. No se pueden hundir en diámetros muy grandes. No se pueden hacer ampliaciones muy grandes en los extremos. No pueden ser hundidos en condiciones de poco espacio.

4.3 Pilotes de gato: Unidades de acero o concreto hincadas en el suelo mediante gato hidráulico usados generalmente para, refuerzo, recalce de edificios y estructuras y obras de diferente naturaleza, en las que las soluciones convencionales resultan difícil o imposible aplicación. Permiten trabajar en lugares angostos o de baja altura y en proximidad de instalaciones en funcionamiento, evitándose la interrupción de actividades industriales, desalojo de vecinos o cualesquiera otras perturbaciones que, con los procedimientos convencionales, resultan frecuentemente inevitables.

Figura #. Pilotes de gato. 4.4 Cajones de cimentación (Caissons):

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Estructuras que se hunden a través del suelo o del agua con el propósito de excavar y colocar la cimentación a la profundidad prescrita y que subsecuentemente viene a ser una parte integral de trabajo permanente. La preparación del cuerpo de caissons se hace en forma modular, por un sistema de anillos de 1 m de altura; en una sección cónica, necesaria en el proceso constructivo, ya que permite el fundido de cada módulo de forma independiente.   



Cajón de excavación cerrado: Es un cajón que es cerrado en el fondo pero abierto a la atmósfera en su extremo superior. Cajón de excavación abierto: Es un cajón abierto por ambos lados, tanto en el fondo como en su extremo superior. Cajón de excavación neumático: Cajón con una cámara de trabajo en la que el aire se mantiene sobre la presión atmosférica para prevenir la entrada de agua a la excavación. Monolítico: Cajón abierto de concreto denso y pesado o de construcción de mampostería, que contiene uno o más pozos para la excavación.

Figura

#. Pilotes tipo Caisson

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SEGÚN EL DIÁMETRO DEL PILOTE: 5.2 Micro pilotes: Diámetro menor de 30 cm 5.3 Pilotes: Diámetro entre 30 cm y 1 m 5.4 Pilas: diámetro mayor a 1m

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SEGÚN LA SECCIÓN TRANSVERSAL:

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La forma de la sección transversal del pilote podrá ser circular o casi circular (cuadrada, hexagonal u octogonal) de manera que no sea difícil asimilar la mayoría de los pilotes a elementos cilíndricos de una cierta longitud L y de un cierto diámetro D. La asimilación a cilindros debe hacerse de acuerdo con los siguientes criterios: a. Cuando se quiera evaluar la capacidad portante por la punta, debe hacerse la equivalencia igualando las áreas de la sección transversal, esto es:

Deq =

√

4 ∗A π

b. En los casos en los que se quiera evaluar la resistencia por fuste, debe hacerse la equivalencia en la longitud del contorno de la sección, L, esto es:

1 Deq = ∗L π

c. En pilotes metálicos en H, la longitud de contorno que se recomienda tomar es igual al doble de la suma del ancho del ala más el canto. Los pilotes-pantalla, o elementos pantalla tienen una sección recta rectangular con una proporción longitud-anchura tal, que la asimilación a la forma circular es difícil. En estos casos, se admite que, a efectos de estimar la resistencia por punta, se utilice el factor reductor siguiente:

f =0.7+

0.3∗B L

Siendo B el ancho y L la longitud de la sección recta rectangular equivalente. La resistencia por fuste se calculará del mismo modo que en los pilotes excavados, contando como longitud del perímetro de la sección transversal, la longitud real del mismo. 7

SEGÚN EL MATERIAL: 7.2 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 de patín ancho y de sección I también se usan; sin embargo se prefieren los perfiles H porque los espesores de sus almas y patines son iguales.

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Figura #. Pilotes de acero. Debido a su alta resistencia y ductilidad, los pilotes de acero pueden hincarse en suelos duros y soportar grandes cargas. También su resistencia en tracción es más alta que cualquier otro tipo de pilote, por ello, son esencialmente apropiados para aplicaciones con grandes cargas de tracción. Los pilotes de acero son sencillos de unir, por consiguiente, constituyen una buena opción cuando la longitud requerida es mayor que 18m. El constructor simplemente hinca la primera sección, luego suelda con la siguiente sección y continúa hincando. Existen ciertos empalmes especiales de acero que agilizan esta operación. Los pilotes de acero tienen la desventaja de que son costosos y ruidosos cuando se hincan. En ciertos medios, pueden estar sujetos a corrosión. Se utilizan mucho como pilotes los tubos de acero, que usualmente se llenan de hormigón después de hincados, y los perfiles de acero en H cuando las condiciones requieren un hincado violento, longitudes desusadamente grandes o elevadas cargas de trabajo por pilote. Los pilotes de acero llegan a estar sometidos a corrosión, como en suelos pantanosos, las turbas 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 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. 7.3 Pilotes de madera: Probablemente los pilotes de madera son los más utilizados en todo el mundo. Bajo muchas circunstancias proporcionan cimentaciones seguras y económicas. Los pilotes de madera no pueden soportar los esfuerzos debidos a un fuerte hincado, en ocasiones necesarias para penetrar mantos muy resistentes. Pueden reducirse los daños a las puntas usando regatones de acero, pero, para un tipo dado de martinete, el peligro de romper los pilotes puede reducirse mucho únicamente limitando el esfuerzo

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inducido en la cabeza del pilote y el número de golpes del martillo. Aunque los pilotes de madera pueden durar indefinidamente cuando están rodeados permanentemente por un suelo saturado, están sujetos a pudrirse por encima de la zona de saturación. En algunas localidades pueden destruirse por insectos como las termitas. La vida de los pilotes de madera, por encima del nivel del agua puede aumentarse mucho tratándolos a presión con creosota. La duración efectiva con este tratamiento todavía no se ha determinado bien, pero se sabe que excede a los 40 años. Los pilotes de madera en aguas estancadas o saladas también están sujetos al ataque por varios organismos marinos como el teredo y la limnoria. El deterioro puede ser completo en unos cuantos años o, en condiciones extremadamente desfavorables, en unos cuantos meses.

Figura #.

Pilotes de madera.

Pilotes cortos y bien hincados pueden ser la solución más adecuada en terrenos con un nivel freático alto, o donde el firme se encuentra bajo un estrato de arena, arcillas blandas o suelos orgánicos. En terrenos de aluvión profundos, donde la capacidad del pilote viene determinada por el rozamiento a lo largo del fuste, los pilotes de madera son especialmente adecuados, especialmente los de forma cónica y los que se empalman. Los pilotes de madera son resistentes a los suelos ácidos y alcalinos y a los que tienen alto contenido en sulfatos o dióxido de carbono libre2. Los pilotes de madera también pueden utilizarse para mejorar el suelo y densificar terrenos granulares disgregados o sueltos. Los pilotes de madera son mejores que sus homólogos de hormigón o acero en lo que se refiere a su bajo coste, facilidad de transporte, manipulación (especialmente en zonas de difícil acceso), durabilidad (en la que se incluye su buen comportamiento en suelos ácidos o alcalinos), no se ven afectados por las corrientes eléctricas, no requieren protecciones frente a la corrosión, y a su facilidad de corte, mecanización e instalación. Además constituye la cimentación más barata en relación con la carga soportada.

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Figura #.

Pilotes de madera trabajando por fricción o por punta.

 Pilotes de madera sin tratar: Cuando se colocan bajo el nivel freático sin ningún tratamiento su duración es ilimitada. Son virtualmente inmunes a la degradación biológica incluso en especies no-durables, debido a la ausencia de oxigeno; la excepción es el caso de la madera de albura que solo puede ser degradada, pero muy lentamente, por bacterias anaeróbicas (efectos importantes se apreciarían a los 50 años).  Pilotes de madera tratada: Los pilotes tratados en profundidad totalmente embebidos en el suelo (se cortan para que queden por debajo del nivel freático) y encepados o coronados con losas de hormigón tienen una duración estimada, según científicos norteamericanos, igual o superior a 100 años. Los pilotes tratados en profundidad utilizados:  Por encima del nivel del suelo tienen una duración estimada, según técnicos norteamericanos, de 40 a 75 años dependiendo de la zona geográfica.  En agua dulce tienen una duración estimada, según las mismas fuentes, de 30 a 70 años dependiendo de la zona geográfica. 7.4 Pilotes de hormigón: Los pilotes de concreto son elementos de concreto reforzado prefabricado o vaciados in situ. Usualmente tienen una sección transversal cuadrada u octogonal y soportan cargas axiales de trabajo de 450 a 3500 KN. Actualmente los pilotes pretensados son una buena alternativa, éstos tiene mayor resistencia en flexión y son consecuentemente menos susceptibles a dañarse durante su manipuleo e hincado. Usualmente, el pretensado es una mejor opción que el pos tensado porque permite el corte de los pilotes, si fuera

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necesario, sin afectar la fuerza del pretensado. Los pilotes de concreto no toleran condiciones difíciles de hincado como los de acero, y tienen una mayor probabilidad de dañarse. Sin embargo, los pilotes de concreto son muy populares porque son más baratos que los pilotes de acero y su capacidad de carga es importante.

Figura #. Pilotes de concreto. Como la mayor parte de los pilotes de hormigón pueden hincarse hasta alcanzar una alta resistencia sin daño, usualmente es posible asignarles mayores cargas admisibles que a los pilotes de madera. Bajo condiciones ordinarias no están sujetos a deterioro y pueden usarse arriba del nivel del agua freática. Las sales del agua de mar y la humedad marina, atacan el refuerzo en los pilotes a través de las grietas en el hormigón; al formarse el óxido el hormigón se desconcha. La mejor protección es usar un hormigón denso y de alta calidad. El deterioro de los pilotes pre esforzados no es tan rápido porque las grietas de tensión se reducen al mínimo. INSTALACION Y PUESTA EN OBRA Para realizar el proceso constructivo de un pilote se debe hacer algunas tareas previas. Después de obtener el estudio geotécnico se toman datos sobre el corte estratigráfico y nivel de la capa freática, características mecánicas del suelo y la profundidad proyectada para la cimentación. Una vez obtenido estos datos y el diseño del pilote, se procede a la elección de los métodos y técnicas más favorables para la ejecución del proyecto. Se debe limpiar y nivelar el área de trabajo, dejando espacio suficiente para el manejo de equipos a utilizar. Metodología detallada: 1. Estudio geotécnico con: corte estratigráfico y nivel de la capa freática, características mecánicas del suelo, grado de agresividad del suelo y profundidad proyectada para la cimentación. 2. Limpiar y nivelar la superficie de trabajo, dejando una anchura conveniente para el trabajo de la maquinaria a utilizar.

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3. Trazo: ES necesario hacer un replanteo de la zona y ubicar mediante aparatos topográficos el centro de cada pilote. Se indica la ubicación, la profundidad de perforación y de desplante, dicha referencia deberá mantenerse vista todo el tiempo que sea necesario. 4. Perforación: El tipo de perforación depende de las características que presentan los suelos. a. En seco: Se utiliza sobre el nivel freático donde no existe el peligro de derrumbe o socavación al perforar el pozo hasta el fondo, aunque en algunos casos se utiliza en suelos bajo el nivel freático todo y cuando la permeabilidad es tal que la filtración en el pozo es mínima, mientras permanece abierto.

Figura #. Perforación en seco. Técnicas para perforación en seco: i. Perforación rotatoria: - Con Barretón o Kelly de perforación; ya sea montada sobre orugas, sobre grúa o sobre camión. En este caso, el Kelly puede ser de una sola pieza o bien telescópico de varias secciones, con el cual se extrae de manera intermitente el suelo perforado. - Con Hélice continua; montada sobre grúa o sobre oruga. El suelo se extrae de manera continua, conforme se perfora el suelo. Hasta la terminación del proceso de perforación, las herramientas de perforación están entrando y saliendo del barreno para ser vaciadas en el exterior.

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Las herramientas más comunes son las brocas de hélice y los botes; las primeras se utilizan generalmente en condiciones secas y tienen la ventaja de ser fácilmente llenadas y vaciadas. Las brocas están equipadas con una orilla de corte que durante la rotación rompe el suelo, después de lo cual Figura #. Equipo de perforación el suelo rotatorio hidráulico. viaja a lo largo de las hélices, la broca se extrae entonces del hueco excavado y se vacía por rotación rápida en el exterior, si el suelo tiene alta plasticidad. Pueden tener hélice sencilla o doble, de acuerdo a las condiciones del suelo y usualmente tienen una punta inferior (stinger) qué previene cabeceos de la broca. En estratos duros inclinados, es recomendable utilizar una punta más larga de lo usual, con el fin de efectuar una perforación guía de menor diámetro. ii. Trepano Manual: Este método consiste en realizar la perforación a través de una herramienta sencilla manipulada directamente por uno o dos hombres, a la cual se le llama comúnmente como: “pala”. Este trepano está formado por tubos metálicos que poseen conexiones en sus extremos para ensamblarlos hasta profundidades de 10 m. En su extremo superior posee dos barras horizontales que permiten aplicar una fuerza par, la cual hace que el trépano ubicado en su extremo inferior rote y corte el material. Cuando este trepano se llena de material, es extraído a la superficie para depositar el material excavado. Este proceso se repite hasta alcanzar la profundidad requerida. Estos trépanos se encuentran disponibles en diámetros hasta de 40 cm. Son fabricados de acero en un taller de mecánica, generalmente con poco control de calidad. Este método se utiliza en la industria de la construcción tales como: viviendas y pequeños edificios y donde es necesario colar muchos pilotes de diámetros reducidos. b. Con agentes fluidos: En situaciones en que no se puede proteger la excavación con tubería, y en que las paredes de la perforación son inestables ya sea por la presencia de agua freática o por sus desfavorables propiedades mecánicas, se utilizan agentes fluidos.

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

Utilizando lodos a base de bentonita o polímeros: Estos lodos ejercen presiones hidrostáticas que ayudan al sostenimiento de las paredes. Siempre deben controlarse las propiedades de los lodos por su viscosidad, densidad, PH, contenido de áridos. Para que funcionen adecuadamente, es necesario poseer una determinada carga hidráulica de lodos, ya que cuando nos encontramos con un nivel freático, debe ubicarse la plataforma de trabajo desde donde se aplican los lodos, a una distancia de 1.50 a 2.00 metros sobre el nivel de carga. Cuando se aplica lodos bentónicos se requiere el montaje de una planta productora de lodos al ritmo requerido para el proyecto, requiere una planta desarenadora, equipos de bombeo especiales para recircular lodos desde el fondo de la perforación, un laboratorio de campo y técnicos especializados capaces de medir en todo momento las características de los lodos y las implicaciones de las mismas para las actividades de perforación y colado de los pilotes. c. Entubados: En caso donde los suelos son menos competentes o para evitar derrumbes y socavaciones, se debe de colocar un entubado protector temporal. Esta tubería debe de tener suficiente grosor de pared como para resistir la presión del suelo, la presión hidrostática y los efectos dinámicos de la construcción.



Entubado vibratorio: Se conecta la parte superior del ademe, generalmente de un espesor de 10 a 15 mm, a un vibrador que tiene un par de mordazas. Las vibraciones verticales de alta frecuencia, producidas por el vibrador, reduce la fricción entre el ademe y el suelo, permitiendo que el primero penetre en el segundo por peso propio, más el del vibrador. Dado que la reducción de la fricción lateral es más pronunciada en arenas y gravas sueltas a medias, así como en arcillas y limos blandos, el uso de vibradores es predominante en este tipo de suelos. El volumen de suelo afectado por las vibraciones así como la profundidad de penetración del ademe, depende de la energía que transmite el vibrador. En general, el límite superior para hincar ademes con este procedimiento, está alrededor de 2 m. de diámetro, y profundidades de 20 m.



Entubado oscilatorio: Con este procedimiento, el ademe se sujeta con un collar circular, que es operado hidráulicamente, y rotado alrededor de 20° en direcciones alternas. Simultáneamente el ademe es empujado dentro del suelo por gatos hidráulicos. El ademe se coloca en secciones, usualmente de 6 m, de tal manera que permita perforar dentro del mismo, antes de continuar colocándolo. Estas secciones se unen entre sí hasta alcanzar la profundidad deseada, por medio de collares con insertos cónicos para tornillos. El espesor de la pared de estos ademes, para trabajo pesado, está entre 40 y 60 mm. La máxima capacidad de perforación con este método es de 30 m. de profundidad y con diámetro máximo de 2.5 m.

5. Moldes para pilotes colados in situ:

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Figura #.

Tipos de pilotes de concreto colocados in situ.

a. Con tubo recuperable: Son pilotes de desplazamiento, donde se utiliza tubos metálicos, se introduce en el suelo ya sea por rotación o por hincado evitando que penetre suelo o agua en la entibación; luego de construir el pilote y verter el concreto en este, se extrae el tubo o molde. En la actualidad, existe una variedad de pilotes con tubos recuperables, a continuación se mencionaran algunos de los más comunes:  Pilotes Simplex  Pilotes Express  Pilotes Vibro  Pilotes Franki b. Con tubo no recuperable: Como su nombre lo indica, son aquellos pilotes que fabricados en el lugar de la obra mantienen el tubo empleado para el ademe, formando parte del pilote, dicho tubo se hinca con su punta inferior tapada. Entre los más comunes están:  Pilotes Cobi de Mandril Neumático  Pilotes Raymond 6. Pilotes sin molde (perforados): Los pilotes perforados resultan más favorables en suelos donde la cohesión deberá ser suficiente para permanecer abierto durante la perforación, inspección y el colado del concreto, además los suelos no deben tener filtraciones de agua. Con este método se evitan inconvenientes como el ruido y vibraciones que generan los equipos para el proceso de perforación con ademes. 7. Armaduría: Los pilotes generalmente trabajan a compresión, la armadura es similar a la de las columnas o pilares. Sin embargo, es necesario que la armadura sea capaz de soportar la flexión que se produce en el transporte del izado del pilote como también los esfuerzos por flexión producidos por las fuerzas horizontales. La armadura se compone de barras longitudinales colocadas en la periferia y de estribos transversales o espirales en algunos casos.

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Figura #.

Refuerzo a flexión para pilotes.

8. Concreto: Para iniciar el proceso de colado del concreto, se verifica si la perforación contiene azolves o recortes sedimentados en el fondo originados por la colocación de la estructura. Es necesario hacer una limpieza cuidadosa en fondo, mediante herramientas apropiadas, como por ejemplo utilizando un “air lift”. El colado se realizará por procedimientos que eviten la segregación del concreto y la contaminación del mismo con el lodo estabilizador de la perforación o con derrumbes de las paredes de la excavación. Se llevará un registro de la localización de los pilotes o pilas, las dimensiones relevantes de las perforaciones, las fechas de perforación y de colado, la profundidad y los espesores de los estratos y las características del material de apoyo. DEFECTOS DE PUESTA EN OBRA Algunos errores de puesta en obra podrían ser: 1. Apreciación errónea de los estratos resistentes: confundidos con capas de poco espesor, bolos erráticos, etc. 2. Deficiente calidad de los materiales, en especial hormigones. Deterioro de pilotes o encepados por escasa calidad de los materiales: Consistencias inadecuadas, resistencia inferior a la requerida en proyecto de los materiales empleados, etc. 3. Degradación del material: hormigón no resistente a la agresividad del terreno, recubrimientos insuficientes, etc. 4. Lavado del hormigón en cimentaciones profundas, colocado en presencia de aguas en movimiento. 5. Errores en la colocación de armaduras, confusión de diámetros de armado, ausencia de separadores, etc. 6. Problemas de fraguado, unidos a errores de vertido, de dosificación, de curado, etc. 7. Deficiente ejecución de pilotes, rotura o corte: ausencia o deficiente limpieza del fondo, rotura durante la hinca o pilotes hincados en arcilla blanda que no han sido rehincados debidamente, fallo de los empalmes en pilotes de acero o de madera, defectuosa extracción de la entubación en el caso de pilotes hormigonados in situ, rotura en cabeza de pilotes, cortes del hormigón ocasionando discontinuidades, estrechamientos o cuello de botella lo que provoca una reducción de sección, etc.

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PILOTES EN GRUPO En estructuras reales las necesidades de capacidad portante de carga de las cimentaciones hacen necesario el uso de grupo de pilotes. De los problemas más habituales que hay en las fundaciones de estructuras, es el saber los fenómenos de interacción que hay entre los pilotes y que no dejan estimar la capacidad del grupo como la suma de la capacidad de cada uno de los pilotes considerados aisladamente. En los grupos grandes, la mayor parte de la carga puede, tarde o temprano, quedar apoyada en la punta, cualquiera que sea la magnitud de la fricción lateral, que haya podido desarrollarse a elevaciones mayores alrededor de un solo pilote en una prueba de carga. La separación entre pilotes es una variable fundamental tanto para el comportamiento del terreno como para la distribución de cargas del grupo. Dicha separación S suele estar en el rango de 2.5Φ - 4Φ. En pilotes incados en arenas se ha observado una mejora en la resistencia al hundimiento con un S = 3.5 Φ. La cantidad de pilotes también es importante, tomando como un mínimo ideal de tres (3) y un máximo de doce (12) para estos grupos.

Figura 1. Esquema grupo de pilotes 

Eficiencia de grupo El valor se define por:

EF= 

Carga Promedio en pilote en Grupo de la falla Carga de falla en piloteindividual

En suelos granulares Los pilotes incados ayudan a compactar el suelo granular, aumentando así su capacidad portante. Ensayos en modelos han demostrado que los factores de

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eficiencia de grupo de pilotes hincados en arenas pueden llegar hasta 2. En pilotes excavados, la acción de excavación más bien reduce la compactación, por lo que el factor de eficiencia de grupo es difícil que sea mayor que 1. En diseño se usa un factor de eficiencia de grupo de 1 para todo tipo de pilotes en suelo granular. Esto significa que se ignoran los efectos de grupo al predecir la capacidad portante. Sin embargo, los pilotes excavados deben tener un espaciamiento mayor que 3Φ (centro a centro). 

En Suelos Cohesivos En suelos cohesivos se considera al grupo (pilotes y suelo contenido) como una cimentación profunda; la carga última del grupo se puede evaluar con la ecuación de Meyerhof. Por ejemplo, para un ancho de grupo B, longitud L, profundidad D, la carga de falla es:

Qu=B∗L∗c∗N c∗λ Donde:

N c =Factor de capacidad de carga de Meyerhof

λ=Factor de forma c=Cohesión promedio de laarcilla que rodeaal grupo

Figura 2. Eficiencias de grupo de pilotes en suelo cohesivo.

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Se puede utilizar como un método alternativo para estimar eficiencias de grupo. Por lo tanto, la carga de falla del grupo es:

Qu=n∗Qu∗E f Donde n es el número de pilotes en el grupo y

Qu

es la carga de falla de un

pilote individual.



Pilotes de Punta Hincados al Rechazo Debido a que la carga última está limitada por la resistencia del pilote y no por la capacidad portante del terreno, no existe efecto de grupo.



Suelos que contienen estratos blandos Cuando existen capas de arcilla blanda por debajo de los grupos de pilotes puede ocurrir un sobreesfuerzo, por lo que es necesario realizar una verificación. Se asume que la carga del grupo de pilotes se repartirá como se indica. a) Pilotes de fricción en arcilla Se asume que la carga se distribuye, de los dos tercios del empotramiento del pilote en el estrato resistente.

Figura 3. Distribución De Carga Para Pilotes De Fricción. b) Pilotes de punta en arena o grava Se asume que la carga se distribuye, a partir de la base de los pilotes.

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Figura 4. Distribución De Carga Para Pilotes De Punta. En cada uno de los casos indicados, para un grupo de pilotes de dimensiones en planta BxL, que soporta una carga Q, el área esforzada del material blando será:

30° B+ 2∗H∗tan ( ¿ )∗( L+2∗H∗tan ( 30 ° ) )=(B +1.15 H )(L+1.15 H) ¿ Luego, el esfuerzo en la parte superior del estrato blando será:

σ=



Q (B+ 1.15 H )(L+1.15 H)

Longitudes de pilotes cercanos En tanto sea posible, todos los pilotes de un grupo deben tener aproximadamente la misma longitud. Cuando se tengan pilotes de diferente longitud, cercanos, es usual diseñar al pilote más corto lo suficientemente largo, de modo que una línea inclinada a 45° de su base no intersecte al pilote vecino más largo. Esto es para evitar que la carga de la punta del pilote corto sea transmitida al pilote largo.

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CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA EN PILOTES El primer paso en el diseño de pilotes es calcular la capacidad de carga última de pilotes individuales y posteriormente su capacidad de carga admisible, teniendo en cuenta que tipo de pilote se trabajará, hincado o excavado y también del suelo sobre el cual se va a cimentar: 1. CAPACIDAD DE SOPORTE EN PILOTES HINCADOS -

MÉTODO ESTÁTICO

a. En suelo cohesivo: La capacidad de soporte de los pilotes hundidos en arcillas y limos arcillosos es igual a la suma de la resistencia última de carga con la fricción superficial de la parte del pilote en contacto con el suelo. Nota: En arcillas la resistencia por fricción es mucho mayor que la resistencia por punta.

Qu=Q s+Q b Donde la resistencia por fricción lateral: Donde, As=s Área superficial lateral empotrada del pilote Qs=α∗´c∗A c´ =Resistencia cortante no-drenada promedio de la arcilla a lo lardo de los lados del pilote α=Factor de adhesión Se ha encontrado que el factor de adhesión es el que puede variar significativamente, por lo que es difícil asignarle un valor, es por esto que para pilotes hincados se emplean los valores propuestos por Nordlund (1963) y para pilotes excavados los de Tomlinson (1975). En el primer caso es posible usar las gráficas de la fig ##, que dependen de la conformación del suelo, mientras que para pilotes excavados el autor recomienda utilizar un valor de 0.45 cuando no se tiene experiencia previa con la arcilla estudiada, hasta un valor máximo de 100 kN/m2. Esto puede ser conservador para arcillas blandas y optimista para arcillas muy rígidas y fisuradas, respectivamente.

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Fig. ### adhesión según de

Factores de Nordlund

Y la resistencia por punta (Meyerhof, 1953): Donde,

Qb=c∗N c∗Ac=Resistencia b cortante inalterada del pilote A b =Área de la base del pilote N c =Factor

de

capacidad

de

carga

de

Meyerhof,

generalmente se toma 9; siempre y cuando el pilote sea hundida al menos cinco veces su diámetro dentro del estrato.

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Fig ### Gráfica

de Asentamiento vs Carga para suelos cohesivos

b. En suelo no cohesivo: Nota: En suelos granulares la resistencia por punta es generalmente mayor que la resistencia por fricción.

Qu=Q s+Q b

Resistencia por fricción lateral: Se emplea el término f que hace alusión al roce a lo largo del cimiento con el suelo a una profundidad z:

f =K s pd tgδ Donde,

K s =Coeficiente lateral de tierra, la relación de la presión lateral a vertical en los lados del pilote.

pd =Esfuerzo efectivo vertical a la profundidad z δ=Ángulo de fricción entre el pilote y el suelo

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1 Qs= ∗k s∗γ∗( z 1+ z2 )∗t∗g∗δ∗As 2

Entonces Donde,

z 1∧z 2 = Son las profundidades donde el pilote está rodeado por suelo granular. A s = Área empotrada de Los valores de

Ks

z1 a

z2 .

y δ pueden ser sustituidos por los dados en la teoría de Broms

(1966), con las restricción de que su validez llega hasta un valor de fricción lateral ( f ), kN/m2; su vez

de 110 que a el valor

máximo usado para pilotes de sección constante.

Tabla ##. Valores de Ks y δ para pilotes hincados. Resistencia por punta: Al conocer el ángulo de resistencia al cortante del suelo a nivel de la base, se puede calcular

Qb

con la ayuda de la ecuación general de Terzaghi, omitiendo el término

0.4γBNγ, dado que el diámetro del pilote es pequeño en relación con su profundidad. Entonces la resistencia neta será:

Q b= pb∗( N q−1)∗A b Donde,

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pb =Esfuerzo efectivo de sobrecarga en la base del pilote A b =Área de la base del pilote (Área de la punta) N q =Factor de capacidad de carga de Berzantsev (en función de φ) Para el último factor se puede hacer uso de la siguiente gráfica que depende de la relación D/B y el ángulo de resistencia al cortante:

Fig ##. Factor de capacidad de carga de Berzantzev -

MÉTODO DINÁMICO

Desde la aparición en 1893 de la fórmula del “Engineering News” Han sido muy numerosos los intentos de relacionar la energía de caída de una masa sobre la cabeza de un pilote con el asiento experimentado por éste y, en definitiva, con la carga de hundimiento. En general éstas fórmulas empíricas adolecen de una gran imprecisión derivada de la dificultad de conocer la energía realmente aplicada en el impacto, su variación con el tiempo y la dispersión introducida por los asientos mecánicos respecto a los valores nominales. Todo ello ha llevado a adoptar coeficientes de seguridad muy altos, del orden de FS = 6 y a utilizar cada vez con más prevención este método de diseño. En la actualidad se tiende a emplear los registros de hinca únicamente como un método de control para detectar cambios en la naturaleza del terreno, la eventual rotura del pilote, o la llegada al subestrato firme de apoyo. Algunas de las fórmulas más usadas son:

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a. Engineering News

Qadm=

16.7 E (ton) s +a

Donde, E= Energía por golpes (m*ton) = Pm*H (Pm, peso del martillo) s=Rechazo medio en cm/golpe para los últimos 15 golpes (s≤0.12 cm) a=Una cte que vale 2.54 en el caso de martillos de caída libre y 0.254 en el de doble efecto. b. Engineering News corregida:

0.0025 E (W r + e2 W p ) Qadm= (s+0.1)(W r + W p ) Donde,

W r =Peso del martillo W p =Peso del Pilote e= Coeficiente de restitución de impacto E=Energía por goles en (m*ton)= W r∗H 2. CAPACIDAD DE SOPORTE EN PILOTES EXCAVADOS a. En suelos cohesivos: Resistencia por punta (Método de Reese y O’Neill) Ésta es la fórmula empírica más simple y conservadora dada por Reese y O’Neill en 1989.

q ' e =0.6 σ r N 60 ≤ 450

ton 2 m

Donde,

σ r =Esfuerzo de referencia (10 ton/m2) N 60 =Valor medio de N60 del SPT para el suelo entre la base del pozo y una profundidad igual a 2 veces el diámetro de la base debajo de ésta.

q ' e =Resistencia de punta unitaria neta. Resistencia por fricción lateral (Método β a partir de la función empírica de Reese Y O’neill)

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f s=β σ ' v β=1.5−0.135

√

z 0.25 ≤ β ≤ 1.2 Br

Donde,

f s =Resistencia a la fricción lateral σ ' v = esfuerzo efectivo vertical en el punto medio del estrato de suelo Z= Profundidad desde la superficie del terreno al punto medio del estrato

B r =Ancho de referencia CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE EN PILOTES La capacidad admisible se obtiene dividiendo la carga última por un factor de seguridad. Los factores de seguridad se pueden aplicar a la capacidad de carga última o a las capacidades de carga por fricción y por punta separadamente. La capacidad de carga admisible se toma como la menor de:

Q s+ Q b Q s Q b y + 2.5 1.5 3.0 Donde Q s y Q b de

Qs

son las cargas últimas por fricción y por punta respectivamente. El valor

en la primera ecuación se basa en factores que utilizan valores promedio de

resistencia cortante, mientras que en la segunda ecuación se emplean valores en el rango bajo de la resistencia cortante. CASO ESPECIAL: FRICCIÓN NEGATIVA En ciertas condiciones del terreno, el suelo que rodea la parte superior del pilote se puede asentar con relación al pilote, cambiando la dirección de las fuerzas de fricción en el lado del pilote y tendiendo a jalarlo hacia abajo. Este fenómeno, conocido como fricción negativa, produce una carga adicional en el pilote, de modo que reduce su capacidad portante. Algunos casos donde puede ocurrir son:  Un pilote hincado a través de una arcilla blanda sensible llega a un estrato relativamente incompresible. El remoldeo de la arcilla durante el hincado puede ser suficiente para causar asentamiento. Las arcillas blandas marinas o de estuario pueden ser particularmente susceptibles a desarrollar fricción negativa.  Un pilote hincado a través de una arcilla blanda llega a un estrato relativamente incompresible con sobrecarga en la superficie. Normalmente una arcilla blanda que suprayace a una arcilla dura no tiene problemas. Sin embargo, la carga en la

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superficie producirá asentamiento que puede generar fricción negativa en el pilote. El drenaje de áreas pantanosas puede tener un efecto similar.  Un pilote hincado a través de relleno recientemente colocado llega a un estrato compresible o relativamente incompresible. La fricción negativa resultará de la consolidación del relleno. En rellenos antiguos la fricción negativa disminuye o no existe. Nota: En algunos casos, la fuerza de arrastre hacia abajo es excesiva y ocasionará falla de la cimentación. Para propósitos de diseño, la máxima carga hacia abajo permitida se puede calcular teniendo en cuenta la fig ## de distribución de esfuerzos. Donde la fricción en el punto A y B, corresponde a las resistencias de cortante pico ( C p ) y residual del suelo ( Cr ) respectivamente:

f A =∝ C p y f B=∝C r De esta manera, la fuerza de fricción será igual a:

(

C ¿ (¿ p+C r ¿ ) H∗1 0.8 ∗∝ ¿ 2 ¿ H∗1 H∗1 0.1 ∗∝C p + 0.1 ∗∝C r + ¿ 2 2 ¿

)(

)

C (¿ ¿ p+C r) S 0.45 H∗∝¿ Donde, S= Circunferencia del pilote

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Fig ##. Distribución asumida de la fricción negativa

ASENTAMIENTOS

EN

PILOTES Y GRUPO DE PILOTES El asentamiento de un pilote individual bajo carga de trabajo es usualmente tan pequeño que no presenta problemas. Sin embargo, el efecto combinado de un grupo de pilotes puede producir un asentamiento apreciable, debiendo ser considerado. El estado del conocimiento actual no permite una predicción precisa del asentamiento, sin embargo, existen métodos que permiten realizar estimados razonables del asentamiento de pilotes y grupos de pilotes. Los procedimientos presentados a continuación permiten realizar una estimación aproximada del asentamiento de un grupo de pilotes o de un pilote individual dentro del grupo. La interacción entre los pilotes y el suelo circundante es compleja y no está apropiadamente entendida; en consecuencia, los valores obtenidos por los métodos simples presentados a continuación no producen valores exactos. 

Asentamiento de pilote individual en arcilla El asentamiento de un pilote en una capa de espesor finito que supra yace a un material incompresible puede obtenerse de la expresión.

ρ=

Q ∗I donde ; L∗E p

Q=Carga del pilote L=Longitud del pilote

E=Módulo de Young del suelos para asentamiento a largo plazo E=

( 1+ v )∗(1−2V ) donde ; m∗(1−v )

m=Es el valor promedio de la capa y ν es larelación de Poisson:0.4 arcilla SC , arcilla NC rígida y 0.2 arcilla NC blanda a firme .

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I p =Factor de Influencia

Figura 5. Valores del factor de influencia

I p , para un pilote en un estrato compresible de

profundidad finita, V=0.2. (ALVA HURTADO, 2012)

Figura 5. Valores del factor de influencia

I p , para un pilote en un estrato compresible de

profundidad finita, V=0.4. (ALVA HURTADO, 2012)

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

Asentamiento de pilotes dentro de un grupo de arcillas El asentamiento ρi del pilote i dentro de un grupo puede calcularse de la expresión:

Q j∗∝ij k

Qi +∑ ¿ donde ; j=1

ρi=ρ1∗¿ ρi= Asentamiento del pilote ibajo cargaunitaria Qi=Carga del pilote i Q j =Carga en el pilote j , donde j es cada uno de los otros pilotes ∝ij=factor de interacción entre los pilotes i y j . Depende del espaciamiento de pilotes

Figura 5. Valores del factor de influencia

∝ , para un pilote en un estrato compresible de

profundidad finita. (ALVA HURTADO, 2012) Para un pilote individual dentro de un grupo, se encuentra usualmente que el asentamiento del pilote debido a la influencia de los pilotes vecinos excede al asentamiento producido por la carga en el pilote. De este modo, aunque el asentamiento de un pilote individual pueda parecer pequeño en un ensayo de carga, el asentamiento de una estructura apoyada en un grupo de pilotes similares puede ser bastante grande. El proceso de añadir las interacciones de cada pilote con los otros en un grupo grande de pilotes puede ser tedioso y tomar tiempo. Sin embargo, se encuentra que la mayor parte de pilotes en el grupo está tan lejos que su influencia pueda ignorarse, o quizás se puede asignar una participación para el efecto de todos los pilotes más allá de determinada distancia del pilote en estudio. Cuando los pilotes no son de la misma longitud, el efecto en la relación (H/L) es pequeño, por lo que el método todavía puede utilizarse. Cuando los pilotes tienen diferentes diámetros o anchos, la relación (S/B) del pilote j deberá usarse para obtener el valor de αij.

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

Asentamiento de un pilote individual en arena o grava El asentamiento de un pilote hincado en suelo granular denso es muy pequeño y debido a que el asentamiento en suelo granular es rápido, generalmente no hay problema. En pilotes excavados o pilotes hincados en suelo granular suelto, el asentamiento puede ser significativo, pero no existen métodos aceptados de predecir asentamientos con exactitud. Como una aproximación gruesa, el desplazamiento vertical de un pilote puede estimarse como una carga puntual en la base del pilote. Sin embargo, el único método confiable para obtener la deformación de un pilote en un suelo granular es ejecutar un ensayo de carga.



Asentamiento de un grupo de pilotes en arena o grava Una aproximación al asentamiento de un grupo de pilotes en suelo granular en base al asentamiento de un pilote individual puede obtenerse:

Figura 5. Relación del asentamiento del grupo de pilotes al asentamiento de un pilote. (ALVA HURTADO, 2012)

donde ; α = 

( Asentamiento del grupo de pilotes) ( Asentamiento individual bajolaisma cargade trabajo)

Método para estimar el asentamiento en grupo de pilotes El asentamiento promedio de un grupo de pilotes puede estimarse tratando al grupo como una cimentación equivalente con un área en planta igual al área del grupo. Para pilotes que trabajan predominantemente por punta (arenas), se asume que la cimentación estará en la base de los pilotes. Para pilotes por fricción (arcillas), se asume los

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dos tercios de la longitud de empotramiento, y si existe una capa superior granular o arcilla blanda, los dos tercios de la profundidad de empotramiento en la arcilla portante.

Figura 5. Método simplificado para estimar asentamientos del grupo de pilotes mediante la cimentación profunda equivalente. (ALVA HURTADO, 2012) 

Compresión del pilote La compresión del pilote puede ser una parte significativa del asentamiento total, pero, a diferencia del asentamiento por consolidación, ocurrirá instantáneamente cuando se aplica la carga al pilote. Se puede evaluar asumiendo que bajo la carga de trabajo (o carga de ensayo), las proporciones de la carga por fricción y por punta son las mismas que en la falla. Por lo tanto, si la carga última es

Q u , formada por la carga última en el fuste y en

la punta, luego bajo la carga Q,

Q∗Qb será soportado por la punta y Qu Q∗Qs será soportado por fricción. Qu La carga por punta será transmitida en toda la longitud del pilote y la carga por fricción será reducida con la profundidad. En arcillas, donde la fricción (adhesión) permanece constante con la profundidad, el esfuerzo promedio será la mitad del de la superficie. En arenas, donde la fricción aumenta linealmente con la profundidad, el esfuerzo promedio equivalente será dos tercios del valor de superficie. Por lo tanto, para un pilote de longitud L y sección AP, el esfuerzo promedio equivalente será:

(

Q en arcillas : σ pr= ∗ Ap

1 Q b+ ∗Q s 2 Qu

2 Qb + ∗Qs Q 3 en arenas :σ pr = ∗ Ap Qu

(

) )

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y la compresión elástica del pilote será: ρe =

donde

σ pr∗L Ep

E p es el módulo de Young para el material del pilote en la dirección longitudinal.

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PRUEBAS SOBRE PILOTES En el caso de los pilotes, se recurre a los ensayos de carga para determinar el asentamiento del pilote bajo la carga de servicio, las características de carga-deformación del pilote, o bien para determinar la carga de rotura del pilote. Generalmente son realizados antes de la ejecución del pilotaje, para "ajustar" el diseño del pilote, o luego de la ejecución del pilotaje, como un control de recepción con una elección aleatoria. 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 más de un mes.

 Métodos y ensayos de pruebas de carga de pilotes: o

Método sónico (Ensayo no destructivo): 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. Con este ensayo pueden detectarse reflexiones insignificantes de la onda sónica en puntos del fuste por encima de la punta y una reflexión más importante de la onda en la punta. Si esto sucede, el pilote puede ser aceptado. En el caso de no poder apreciar una clara reflexión de la onda sónica en la punta (esto puede suceder en pilotes muy esbeltos), el ingeniero especialista decidirá a que profundidad de ensayo puede considerarse válido.

o

Método ultrasónico “cross-hole” (Ensayo no destructivo): 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, oquedades, 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. 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.

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La norma ASTM específicamente en D-1143-81 (“pilotes bajo carga axial estática de compresión”), menciona ciertos dispositivos y formas para analizar los pilotes, los más usados son:

-

Carga aplicada contra marco de reacción: Pueden realizarse de dos formas:

Pilotes de anclaje: Se instala un número suficiente de pilotes de anclaje a cada lado del pilote de prueba de tal forma que proporcionen adecuada capacidad de reacción. Dichos pilotes estarán ubicados a una distancia libre del pilote de prueba de al menos 5 veces el mayor diámetro del pilote de prueba, pero no menor que 2 mts.

Fig ##. Sistema de marco de reacción para pilotes de anclaje

Sobre los pilotes de anclaje va una viga de prueba de medida y resistencia suficiente para impedir una deflexión excesiva, esta viga está sujeta por conexiones diseñadas para transferir la carga a los pilotes. Entre el fondo de la viga y la cabeza del pilote de prueba existe una luz suficiente para poder colocar la gata hidráulica y dos planchas de acero de espesor mínimo de 2"; el sistema trabaja al reaccionar la gata hidráulica al cargar el pilote, transmitiendo esta carga (mediante la viga de reacción) a un par de pilotes de anclaje.

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Pilotes con anclaje enterrado: Usualmente transfieren la reacción a estratos más duros debajo del nivel de la punta del pilote, pudiendo ser puestos más cercanamente al pilote de prueba.

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Carga aplicada al pilote o grupo de pilotes por gata hidráulica actuando frente a caja o plataforma cargada:

La norma ASTM especifica que se debe centrar sobre el pilote o grupo de pilotes una viga de prueba de medidas y resistencia suficiente para impedir una deflexión excesiva bajo carga, permitiendo espacio suficiente entre el cabezal del pilote y el fondo de la viga para poder ubicar las planchas y la gata; los extremos de la viga se deben soportar sobre cajones temporales. Se centra una caja o plataforma sobre la viga de prueba, la cual estará soportada por durmientes ubicadas tan lejos como sea posible del pilote de prueba, pero en ningún caso la distancia será menor que 1.5 mts de luz entre caras. La carga de la caja o plataforma será de material apropiado tal como suelo, roca, concreto o acero.

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Fig ##. Sistema de aplicación de carga por gata hidráulica actuando frente a una plataforma cargada

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Carga aplicada directamente a un pilote o grupo de pilotes: La norma ASTM especifica que se debe centrar sobre la plancha de acero una viga de prueba de peso conocido y suficiente medida y resistencia, con los extremos soportados sobre durmientes temporales; centrar una plataforma de peso conocido sobre la viga, esta plataforma es soportada por durmientes ubicadas a una distancia libre no menor de 1.5 mts. La carga de la plataforma puede ser con acero o concreto.

En lo referente al asentamiento de la cabeza del pilote, éste se puede medir de tres formas: a) Nivelación directa con referencia a un dato fijado (BM). b) Por un alambre sostenido bajo tensión entre dos soportes y pasando a través de una escala pegada al pilote de prueba.

De igual manera, las nuevas tecnologías han generado un par de ensayos rápidos que nos ayudan a determinar ágilmente el comportamiento real de los pilotes en el terreno, sometidos a cargas generalmente superiores a las de servicio, pero con un coste razonable, permitiendo un diseño más ajustado del pilotaje y beneficiándose de los coeficientes de seguridad más bajos que permiten las normas cuando se realizan pruebas de carga. Los más empleados son los ensayos dinámicos y el ensayo semiestático Statnamic.

El primero de ellos, el ensayo dinámico se utiliza una masa que cae e impacta sobre el pilote para movilizar su resistencia por punta y por fuste, y mediante instrumentación electrónica captar su comportamiento y obtener después por cálculo numérico la capacidad portante del pilote. Mientras que el sistema Statnamic utiliza una cámara de combustión colocada en la cabeza del pilote, en la que se produce la ignición controlada de un combustible, levantándose unos contrapesos y por reacción una compresión suave sobre el pilote, obteniéndose directamente por instrumentación la

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carga

aplicada

y

el

desplazamiento

producido.

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BIBLIOGRAFÍA 

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URBINA PALACIOS, Rodrigo Fabián. Piura, 2º de Febrero de 2004. Guía para el diseño de pilotes. Universidad de Piura. Disponible online (URL): https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/123456789/1370/ICI_114.p df?sequence=1. Procesos constructivos de pilotes de pilotes de concreto, prefabricados y colados in situ. Capítulo IV. Disponible en línea(URL): http://www.univo.edu.sv:8081/tesis/018151/018151_Cap4.pdf Grupo de Ingeniería Gráfica y Simulación. Universidad Politécnica de Madrid. Cimentaciones y Pilotaje. Disponible en línea (URL): http://ocw.upm.es/expresion-grafica-en-la-ingenieria/dibujo-deconstruccion/contenidos/Dibujo_en_Construccion/cimentaciones_pilotaj e_120307.pdf Cimentación con madera: pilotes. Disponible en línea (URL): http://www.cscae.com/area_tecnica/aitim/actividades/act_paginas/libro/ 44%20Pilotes.pdf. Tipos de pilotes y tablestacas. Capítulo IV. Disponible en línea: http://www.opandalucia.es/fileadmin/media/docs/ribera/tomo_2/capitulo _4_tipos_de_pilotes_y_tablestacas.pdf. PERAZA, J. Enrique. Pilotes de Madera para cimentaciones. Disponible en línea (URL): http://infomadera.net/uploads/articulos/archivo_4747_15790.pdf? PHPSESSID=94244a3ef5f50754ca47c6545e8943df. Tema 12. Cimentaciones profundas. Disponible en línea: http://www.salleurl.edu/tecnologia/pdf/teoria/tercerA/06.pdf ALVA HURTADO, Jorge E. Universidad Nacional de Ingeniería. Facultad de Ingeniería civil. Sección Postgrado. Cimentaciones Profundas. Disponible en línea: http://jorgealvahurtado.com/files/Cimentaciones%20Profundas.pdf La cimentación-Tipos de cimientos. Disponible en línea: http://dearkitectura.blogspot.com.co/2012/04/la-cimentacion-tipos-decimientos.html ALVA HURTADO, Jorge E PhD. CISMID-FIC-UNI. Cimentaciones profundas. Disponible en línea: http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/a_labgeo/labgeo25_a.pdf CRESPO VILLALAZ, Carlos. Mecánica de suelos y cimentaciones. Quinta edición. Editorial LIMUSA. 2004. BRAJA M. DAS. Fundamentos de Ingeniería de cimentaciones. Séptima edición. Editorial CENGAGE Learning. BRAJA M. DAS. Fundamentos de Ingeniería geotécnica. Editorial Thomson Learning. 2001. GARCÍA GAMALLO, Ana María. Departamento de estructuras de edificación. La evolución de las cimentaciones en la historia de la

Cimentaciones Profundas



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arquitectura, desde la prehistoria hasta la primera revolución industrial. 1997. Disponible en línea: http://oa.upm.es/6340/1/03199719.pdf URBINA PALACIOS, Rodrigo Fabián. Universidad de Piura. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería civil. Guía para el diseño de pilotes. Febrero de 2004. Disponible en línea: https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/123456789/1370/ICI_114.p df?sequence=1 MUELAS RODRIGUEZ, A. (2010). Capítulo 5: Cimentaciones profundas. Manual de mecánica del suelo y cimentaciones. Medellín, Colombia. ALVA HURTADO, J. E. (2012). Seminario “Cimentaciones de estructuras: Cimentaciones profundas”. Lima, Perú. PÉREZ CARBALLO, P. (2010). Capítulo 9: Grupo de pilotes. Implementación informática para el cálculo de pilotes de hormigón. Sevilla, España.