Cimentaciones Profundas

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL FILIAL - LIMA

ASENTAMIENTOS ADMISIBLES CIMENTACIONES PROFUNDAS, PILOTES CON CAJONES.

CURSO

:

MECANICA DE SUELOS

DOCENTE

:

ING. UCHUYPOMA MONTES, FERNANDO M.

INTEGRANTES

: -

MEJIA NUÑEZ, ROSA OSTOS RAMOS, STEVE JONATHAN RIMACHI PONCE, MELITON TAPIA HUAMANI, JOEL

LIMA – PERÚ 2015

INDICE CAPITULO I PROBLEMAS DE LA INVESTIGACION 1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA:……………………………………..……….…..05 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:……………………………………..…….…....07 3. FORMULACION DEL PROBLEMA:…………..……………………………………….08 4. JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION:………………………………..………...08 5. MARCO REFERENCIAL………………………………………………….………..……09 5.1. ZONIFICACIÓN DE SUELOS:……………….………………………….09 5.2. SUELO:.……….……………………………………………….….………11 5.3. CIMENTACIONES:….………………….……………………..….…...…14 6. ANTECENDENTES………………………………………………………………………14 7. MARCO TEORICO 7.1. CIMENTACIONES PROFUNDAS……………..…………….………….15 7.2. PANTALLAS....……….………………………………………..…………23 7.3. ASENTAMIENTOS……………………………………………….………24 7.4. ASENTAMIENTO DE PILOTES Y GRUPO DE PILOTES……………26 7.5. ENSAYO DE CARGA EN PILOTES…………………………………....30 8. OBJETIVOS E HIPOTESIS 8.1 .- OBJETIVO GENERAL…………………………………………………………41 8.2 .- OBJETIVO ESPECIFICO……………………………………………………...41 8.3 .- HIPOTESIS………………………...……………………………………………41 CAPITULO II TIPO Y DISEÑO DE INVESTIGACION 1. TIPO DE INVESTIGACION……………………………………………………….……..43 2. DISEÑO DE INVESTIGACION………………………………………………………….43 CAPITULO III RESULTADOS 1. CONCLUSIONES……………………………………………………………….…….….44 2. RECOMENDACIONES…………………………………………………………….…….45 CAPITULO IV REFERENCIAS 1. FOTOS……………………………………………………………..………………….…..46 2. BIBLIOGRAFIAS…………………………………………………………………………47 3. WEBGRAFIAS………………………………………………………………………..…..48

2

INTRODUCION

Las estructuras se apoyan en el terreno, por lo que este pasa a conforma una parte más de la misma, debido a que el terreno por sus condiciones naturales, presenta menos resistencia y mayor deformabilidad que los demás componentes que conforma la estructura, la edificación, por lo que no puede resistir cargas al igual que a estructura, debido a ello se busca implementar cierto artificio a la estructura que permita transmitir y repartir las cargas al terreno de una manera adecuada para que el mismo no falle o se deforme al exceder su resistencia puntual, este artificios son la cimentaciones o apoyos de la estructura. Estas cimentaciones o apoyos deben ser dimensionado en base a las características de terreno y de las cargas de la estructura, y las cuales son de distinto tipo de acuerdo a la utilidad que se busca y al comportamiento natural del terreno. Para fines del trabajo se desarrolla las cimentaciones directa abriendo preámbulo con que es una cimentación y cuál es la función que cumple, para luego si adentrarse en los distintos factores, parámetros, circunstancias, consideraciones especiales, calculo, interés entre otro, referente a las cimentaciones directa o superficiales, entendiendo que las misma son cementaciones poco profunda, que reparten la cargas en un plano horizontal, utilizadas sobre todo cuando la características naturales del suelo permiten su aplicación.

3

ABSTRACT The structures are supported by the ground, so this becomes part it conforms more thereof, because its natural field conditions, is less and higher deformability strength than the other components making up the structure, building, so you cannot resist loads like structure, because it seeks to implement a device structure that allows the sending and Distribute the load to the ground in a proper way so that it does not fail or deformed by exceeding its resistance point, the devices are the foundations or supports structure. These foundations or supports should be sized based on the characteristics of land and loads of the structure and which are of different types according to the search utility and natural behavior of the land. By the end of the work the foundation develops direct opening preamble that is a foundation and what is the role, if then enter the various factors, parameters, circumstances, special considerations, calculations, interest among others, relating to the direct or shallow foundations, understanding that cementing same are shallow, which distribute the loads on a horizontal plane, used especially when the natural characteristics of the soil allow its implementation

4

CAPITULO I PROBLEMAS DE LA INVESTIGACION: 1.- IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA: En los últimos años, la ciudad de LIMA ha tenido un desarrollo considerable en sus actividades, como tales: habitacional, comercio, construcciones, industria y otros rubros. A medida que aumenta la población en LIMA en la actualidad se cuenta con una población 9millones 752mil habitante, proyectada al 2015, según el instituto de estadística e informática (INEI). Generando así el incremento de la necesidad de satisfacer la demanda de viviendas. Por otra parte el crecimiento urbano en la ciudad de LIMA se ha generado y expandido de forma lateral y de construcciones verticales como de edificaciones que tienen cimentaciones profundas. Bueno según la identificación del suelo en lima podemos ver que en la mayor parte del área central de Lima y distritos aledaños como Miraflores, San Isidro y el Rímac, los suelos poseen materiales granulares gruesos; que son materiales netamente sedimentarios, de aspecto uniforme, que pueden clasificarse como conglomerado de canto rodado, gravas, arenas y limos íntimamente mezclados, en su totalidad de origen ígneos, que pertenecen al gran cono de deyección del río Rímac, formado por material de acarreo en un tiempo geológicos muy largo, perteneciente al cuaternario. Estos materiales son altamente resistentes, tienen muy poca capacidad de deformación y sólo presentan problemas en grandes excavaciones o en los acantilados, por problemas de estabilidad de taludes. En los bordes del cono del río Rímac suelen presentarse materiales limosos o limoarcillosos y arcillas, especialmente en los distritos de Barranco, Chorrillos, La Molina, Comas, que pueden tener características muy especiales, así como arenas sueltas o semicompactas en el lado sur de la ciudad, en donde se encuentra gran extensión de asentamientos humanos. En las riberas del Rímac se encuentran algunos rellenos de desecho y basura, y en el Callao suelos arcillosos blandos y fango marino. Con respecto a los asentamientos podemos formular la siguiente pregunta: ¿Por qué se producen asentamientos en algunas construcciones de cimentaciones profundas? Por qué las sobrepresiones intersticiales producidas por un proceso de carga sin drenaje, en el que las variaciones de carga se producen en un tiempo muy pequeño respecto al que requiere la disipación de las sobrepresiones de agua de poro, originan un flujo de agua debido a la gradiente creada por el incremento de esfuerzos, produciendo esta expulsión

5

de agua una disminución del volumen del suelo, efecto llamado "de consolidación", que redunda en asentamientos en los suelos arcillosos compresibles. Un efecto diferente es el colapso de la estructura macro porosa de limos y limo-arenas, o bien asentamientos de suelos granulares sueltos o en rellenos artificiales que no han sido compactados técnicamente.

Con respecto a la forma de soluciones sobre asentamientos productos de la infiltración del agua formulamos la siguiente pregunta: ¿Cuál es la solución para evitar la pérdida de resistencia del terreno por filtraciones de agua? Las precauciones obvias se refieren a las fuentes de agua, recomendándose el uso de materiales de buena calidad y bien instalados. Además se debe impermeabilizarlas cisternas, cámaras de desagüe y otros recipientes. Por otro lado, es conveniente independizar totalmente, por medio de juntas, los elementos que conforman cada unidad estructural, en los casos en que la volumétrica o la concentración de cargas presentaran diferencias sustanciales. Como regla general, para conservar la resistencia de los suelos y para contrarrestar el efecto de los sismos, los suelos de cimentación deberán recibir una adecuada compactación por medio de vibradores, por vibro-flotación o por vibro reemplazo.

6

2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: En el apartado anterior, se identificó la problemática por la cual atraviesa la ciudad Lima con relación al tipo de suelo con respecto a los asentamientos de sus cimentaciones que se presenta en ciertas zonas, de igual forma su crecimiento poblacional, desarrollo económico y comercial en los últimos años. Una vez identificado el problema y estableciendo su situación problemática, proseguimos al planteamiento del problema, por lo que es necesario definir específicamente lo que sucede en la ciudad de Lima y el aporte que se espera dar con investigación. Cuando se requiere de la construcción de una obra civil (viviendas, edificaciones, puentes, carreteras y otros), con cimentaciones profundas es necesario considerar varios aspectos generales de ejecución, tales como:





Planos del proyecto: que representan los requisitos básicos para establecer lo que se quiere construir, donde se va a construir y la magnitud lo que vamos a realizar. De tal forma, obtenemos la relación Suelo-Estructura, definiendo lo que necesitamos como soporte estructural y posibles alternativas de solución.



Estudios de suelos: en la construcción de una obra, es importante determinar y conocer el tipo de suelo donde se realizará la edificación, ya que el éxito de una obra comienza desde sus cimientos. De tal forma se hace necesario identificar si el suelo donde se realizará la construcción es el adecuado y reúne las condiciones óptimas para soportar las cargas a las que estará sometida. Por lo cual el estudio de mecánica de suelos es sumamente obligatorio para lo cual se aplicara la norma E 050 para suelos y cimentaciones. Alternativas de solución: cuando se tengan problemas con el tipo de suelo encontrado en el lugar, y no reúna las condiciones favorables y económicas para la construcción, es necesario conocer las distintas alternativas de solución para lograr una buena edificación. Se elegirá de esta manera una solución económica, favorable, que cumpla con los requisitos mínimos y con las Normas de calidad exigidas internacionalmente como: ASTM, AASHTO, ACI, etc.

3.- FORMULACION DEL PROBLEMA: Con relación a lo antes mencionado, es importante establecer lo que debemos hacer cuando se tienen estratos de suelos saturados, poco saturados, compresibles (baja capacidad de carga para un buen soporte); desconocimiento de procesos de diseño y constructivos de cimentaciones profundas (pilotes), en la zona donde se ubicará la investigación. Entonces llegamos a la formulación de la siguiente pregunta: ¿Cómo puede determinarse la aplicación de cimientos profundos para edificaciones en la ciudad de Lima?

7

Para responder a la pregunta planteada, es necesario tener un conocimiento de las propiedades mecánicas de los suelos, los estudios realizados en el lugar y sus respectivas recomendaciones por los Laboratorios de Suelos, de igual forma conocer los distintos métodos de aplicación de diseño en la construcción de las cimentaciones profundas, sus procesos constructivos y los requerimientos de calidad exigidos internacionalmente. 4.- JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION: La existencia de una amplia gama de metodologías para determinar el comportamiento estático de cimentaciones profundas y piloteadas en suelos granulares y arcillosos, ocasiona que el proceso de diseño involucre la selección de una de las metodologías del universo existente. Para llevar a cabo dicha selección es necesario tener en cuenta el grado de precisión y conservadurismo de cada metodología propuesta. Razón por la cual es fundamental realizar una comparación cuantitativa de resultados teóricos contra experimentales. Por otro lado, en los últimos años la demanda creciente en la mejora de los servicios públicos en el Área Metropolitana Lima ha llevado al desarrollo de importantes obras de infraestructura como la construcción de la sede de banco de la nación, El proyecto consiste en la construcción de un edificio de 30 pisos de más de 130 metros de altura, y con un área construida de aproximadamente 66 mil metros cuadrados, y la que se está construyendo con cimentaciones profundas esta la obra de edificio lux, y así muchos edificios que se construyeron con cimentaciones profundas, siendo parte fundamental de este tipo de proyectos el diseño de su cimentación. El diseño de una cimentación debe cumplir dos objetivos fundamentales: aportar la capacidad de carga suficiente para comportarse favorablemente ante las solicitaciones de la superestructura; y, garantizar que los asentamientos producidos por las mismas sean de una magnitud tal que no afecten las condiciones de servicio de la estructura. El primer paso que se obtiene dentro del proceso de diseño de una cimentación es la definición del tipo que se empleará. En términos generales, las cimentaciones se clasifican en superficiales y profundas. Dentro de las cimentaciones superficiales existe la posibilidad de emplear zapatas, ya sea corridas o aisladas, así como losas de cimentación. Para el caso de cimentaciones profundas comúnmente se emplean pilas y pilotes. Dentro del proceso de diseño de una cimentación profunda es recomendable llevar a cabo pruebas estáticas de carga axial y lateral en pilas coladas en sitio, a fin de cuantificar directamente en campo su respuesta ante las solicitaciones que se impondrán a la estructura a lo largo de su vida útil; es decir, los resultados desprendidos de pruebas de carga in situ deben de servir para corroborar y evaluar los parámetros que marcan el comportamiento estático de las cimentaciones. Por otra parte, uno de los métodos de análisis de capacidad de carga en geotecnia que está cada vez más en boga es el numérico. Una prueba de carga es plausible de ser modelada mediante un algoritmo numérico. Modelar de esta manera una prueba de carga nos permite conocer de una mejor forma el comportamiento del suelo y su interacción con la cimentación, a la par que permite conocer resultados que no fueron medidos directamente en la prueba y con ello tener un aporte adicional encaminado a conocer el comportamiento

8

del sistema suelo-pila. En el presente trabajo se llevará a cabo la calibración de cuatro modelos numéricos para describir el comportamiento de dos pruebas de carga axial y dos pruebas de carga lateral llevadas a cabo en el marco del proceso de diseño para la cimentación. Una vez calibrados los modelos se procederá a emplearlos para conocer con mayor precisión el comportamiento de la interacción suelo-pila a través de la obtención de las curvas p-y, t-z, Q-z y esfuerzo deformación. De tal manera que la justificación del presente trabajo está dada porque aporta una descripción cuantitativa para la interacción suelo-pila a través de la calibración de un modelo numérico que describe el comportamiento de pruebas de carga llevadas a cabo en pilas coladas en sitio.

5. MARCO REFERENCIAL 5.1.- ZONIFICACIÓN DE SUELOS: Es la clasificación de diferentes tipos de suelos en diferentes zonas, de una determinada área de estudio, que tiene que ver mucho con el clima, geología, geomorfología de la zona. Para llegar a ello se tiene que pasar por cada de los siguientes puntos: 1. Reconocimiento del Terreno:  El ingeniero debe siempre efectuar una inspección visual del sitio para obtener información acerca de las siguientes características:  La topografía general del sitio y la posible existencia de zanjas de drenaje, tiraderos abandonados o basura, u otros materiales. También la evidencia de escurrimiento plástico en taludes y grietas profundas y anchas de contracción a intervalos espaciados regularmente en indicativo de suelos expansivos.  La estratificación del suelo en cortes profundos, como los hechos para la construcción de carreteras y vías férreas cercanas.  El tipo de vegetación en el sitio, que indica la naturaleza del suelo. Por ejemplo, una cubierta de mezquite en el centro de Texas indica la existencia de arcillas expansivas que llegan a causar posibles problemas en las cimentaciones.  Marcas altas de agua en edificios y estribos de puentes cercanos.  Niveles del agua freática, que se determina por revisión de pozos cercanos.  Tipos de construcción cercana y existencia de grietas en muros u otros problemas. (BRAJA M. DAS, 2011: 250) 2. Estudio Preliminar: “Antes de realizar una exploración nueva en el sitio de un proyecto se debe de recolectar la información ya disponible, para la estructura propuesta y las condiciones del subsuelo del lugar. En algunos lugares esta información será

9

abundante, mientras que en otros incluso pueda no existir” (Geotecnia Vial 2000: 6). 3. Programa de Exploración: “El programa de exploración del subsuelo debe estar precedido por una investigación previa. En este estudio, el ingeniero responsable de la exploración debe preparar un informe con todos los datos sobre las condiciones del suelo cercano a la obra y sobre el comportamiento de obras estructurales construidas en la vecindad” 4. Instrumentación: La instrumentación es el conjunto de herramientas que se utilizan en todo el proceso de exploración ya sean manuales o mecánicas, con el fin de extraer pequeños porcentajes de muestras de suelo natural en una forma ya sea alterada e inalterada. Existiendo instrumentos que se adecúan mejor ante la presencia del nivel freático y cuando las condiciones del mismo suelo, es muy blando como por ejemplo en el caso de suelos cohesivos. 5. Obtención de Muestras: Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de los ensayos en sí. A menos que la muestra obtenida sea verdaderamente representativa delos materiales que se pretende usar, cualquier análisis de la muestra sólo será aplicable a la propia muestra y no al material del cual procede, de ahí la imperiosa necesidad de que el muestreo sea efectuado por personal conocedor de su trabajo. Las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas o inalteradas. (Villalaz 2004: 29) 6. Mapa geotécnico: El diseño estructural y de cimentaciones debe considerar el Mapa geotécnico, porque allí se define el comportamiento del suelo, que va a estar en contacto con la estructura a construir. Van a afectar el diseño de cimentaciones: el tipo de suelo (cohesivo, granular, granular con finos, de alta o baja plasticidad), la variación de estratos, la consistencia (media, blanda, dura), las propiedades físicas y mecánicas (cohesión, ángulo de fricción interna, índice de compresión),la ubicación del nivel freático, la profundidad de cimentación, la capacidad portante por resistencia, la capacidad portante por asentamiento, el esfuerzo neto, los asentamientos diferenciales y totales, los agentes agresivos (sales, cloruros, sulfatos), la expansibilidad y fuerza expansiva del suelo, la estabilidad del talud de la excavación, las especificaciones del Reglamento Nacional de edificaciones. 7. Mapa de Peligros: Indica cuales son las áreas apropiadas para expansión urbana y equipamiento, y cuáles son las áreas donde se requieren estudios y especificaciones especiales,

10

o dónde no se debe de construir. Identifica las zonas críticas de una ciudad, donde se requiere obras de mitigación. Fomenta el crecimiento de la ciudad de manera ordenada, evitando que se hagan construcciones costosas, que pongan en riesgo la vida las personas.

5.2.- SUELO: “Suelo” es un término del que hacen uso diferentes profesantes. La interpretación varía de acuerdo con sus respectivos intereses […]. Para el geólogo es todo material intemperizado en el lugar en que se encuentran y con contenido de materia orgánica cerca de la superficie; esta definición peca de parcial en Ingeniería, al no tomar en cuenta los materiales transportados no intemperizados posteriormente a su transporte. (Badillo 1998). 1. Clasificación de suelos: Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos y subgrupos basados en su comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje común para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que son infinitamente variadas sin una descripción detallada. Actualmente, dos sistemas de clasificación que usan la distribución por tamaño de grano y plasticidad de los suelos son usados comúnmente por los ingenieros de suelos. Estos son el sistema de Clasificación ASSHTO y el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. (Braja M. Das 2011: 35). 2. Nivel Freático: Se denomina “nivel freático” al lugar geométrico de los puntos en los que la presión del agua es atmosférica. Con frecuencia se miden las presiones a partir de la atmosférica, en cuyo caso ésta se toma igual a 0; a no ser que digamos lo contrario seguiremos esta convención. El nivel freático corresponde al lugar geométrico de los niveles que alcanza la superficie del agua en pozos de observación en comunicación libre con los huecos del suelo. Por debajo del nivel freático la presión del agua es positiva. El agua situada por debajo de este nivel y en comunicación continua con él recibe el nombre de agua freática. (GEOTECNIA Y CIMIENTOS 1985: 111)

11

3. Propiedades físicas de un suelo: “Las propiedades físicas de un suelo permiten identificarlo y clasificarlo de una amplia gama de posibilidades que existen en la naturaleza. Estas propiedades dependen además de la posición geográfica del suelo y la profundidad y espesor del estrato. Entre las propiedades físicas y mecánicas de un suelo se pueden enumerar:  La composición del suelo  La densidad, porosidad e índice de vacíos.  El tamaño y forma de las partículas.  La textura y el color.  La consistencia y el contenido de humedad.  La permeabilidad y capilaridad.  La compresibilidad.  La capacidad portante.  La retracción y expansión.” (María Graciela Fratelli: 13) 4. Propiedades Mecánicas de un suelo: Las propiedades mecánicas de un suelo permiten al ingeniero de cimentaciones llegar a un diseño de la obra civil en la etapa de estudio, considerando los tres grandes problemas a los que él comúnmente se enfrentar como son: 1) los estados límite de falla (que trata sobre la estabilidad de las estructuras), 2) los estados límite de servicio (que se refiere a los hundimientos totales y diferenciales que sufrirá la cimentación y la superestructura) y 3) el flujo de agua a través de los suelos que influye en el comportamiento de los mismos. Para analizar estos problemas se emplean modelos que se alimentan de los parámetros obtenidos ya sea de pruebas de campo o ensayes de laboratorio de permeabilidad, deformabilidad, resistencia y propiedades dinámicas, en muestras lo menos alteradas posible, o al menos tratando de reproducir en el laboratorio su grado de compacidad en estado natural. (Arqhys 2011)

5. Propiedades Hidráulicas de un suelo: “Sin embargo, el ingeniero especialista en cimentaciones debe también poseer un conocimiento cuantitativo de las propiedades físicas de los materiales con que trabaja. Si, por ejemplo, en la construcción de una cimentación se requiere abatir el nivel del agua freática, el ingeniero deberá estar informado con respecto a las propiedades hidráulicas y las características de drenaje de los materiales del subsuelo.” (RALPH B. PECK 1982: 67) 6. Deformación de un suelo:

12

El ingeniero debe comprobar que las deformaciones producidas en el suelo al aplicar las cargas exteriores son menores a la deformación admisible y así asegurar la estabilidad del suelo. Para esto el ingeniero debe obtener la curva esfuerzo deformación del suelo. El grado de deformación producido por un esfuerzo dependerá de la composición, relación de vacíos, historia del esfuerzo, y forma en que se apliquen los nuevos esfuerzos. Para poder hallar la deformación de un suelo muchas veces es mejor medir directamente las deformaciones producidas en un ensayo de laboratorio bajo los esfuerzos que existirán en el terreno real. En otros casos, suele ser muy útil recurrir a conceptos y formulas de la teoría de elasticidad. (ingenierocivilinfo 2011)

7. Resistencia cortante de un suelo: “La resistencia cortante de un suelo es la resistencia interna por área unitaria que la masa de suelo ofrece para resistir la falla y el deslizamiento a lo largo de cualquier plano dentro de él. Los ingenieros deben de entender la naturaleza de la resistencia cortante para analizar los problemas de la estabilidad del suelo, tales como capacidad de carga, estabilidad de taludes y la presión lateral sobre estructuras de retención de tierras.” (BRAJA M. DAS 2011: 207) 5.3.- CIMENTACIONES: “Son aquellas en las cuelas la relación Profundidad/ancho (D_f/B) es menor o igual a cinco (5), siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma” (RNE 2006: 320762). Diseño de una cimentación. El diseño de una cimentación es el cálculo que se realiza teniendo en cuenta las propiedades físicas - mecánicas de un suelo, empezando primero con su respectivo predimensionamiento, luego la comprobación respectiva de esas secciones determinadas, en base a un diseño que tendrá en cuenta el esfuerzo a flexión, comprobación a punzonamiento, etc.; (Villalaz 2004: 259-271). 1. Asentamiento Admisible: “El asentamiento que una estructura puede tolerar, asentamiento admisible, depende de muchos factores incluyendo el tipo, forma, situación y finalidad de la estructura, así como la forma, velocidad, causa y origen del asentamiento.” (Lambe 1976: 216). 2. Asentamiento Total:

13

“En general, la magnitud del asentamiento total no constituye un factor crítico, sino principalmente una cuestión de conveniencia. Si el asentamiento total de una estructura es superior a 15 ó 20 cm pueden presentarse problemas en las conducciones (de gas, agua o alcantarillado) conectadas a la estructura. Sin embargo, las juntas deben proyectarse pensando en el asentamiento de la estructura.” (Lambe 1976: 216). 3. Capacidad de Carga: “En general, la capacidad de carga se toma como la presión que da lugar a la falla local por corte; es decir, la presión correspondiente al codo de la curva presión – asentamiento. En algunos problemas el ingeniero puede encontrar que una carga mayor se ajusta más adecuadamente a la definición de capacidad de carga. “ (Lambe 1976: 214).

6. ANTECEDENTES Los procesos constructivos y la aplicación de cimentaciones profundas, solo se cuenta con el Reglamento para la Seguridad Estructural de Construcción, se establecen los requerimientos mínimos sobre las cargas aplicadas y las características físicas básicas de los pilotes prefabricados o colados in situ. Reglamento de Diseño Sísmico definitivo. Fue hasta el año de 1989 que se hizo necesario, de conformidad a la información sismológica registrada y procesada, corregir las eficiencias más notorias del Reglamento de Diseño Sísmico vigente en esa época. En la actualidad se cuenta con una mayor información sobre la incidencia sísmica en el país y con los conocimientos técnicos suficientes para establecer requisitos mínimos de seguridad estructural de las construcciones. MANUALES Y REGLAMENTOS INTERNACIONALES Los criterios que se utilizan para la calidad y especificaciones de los materiales y el diseño de cimentaciones profundas de concreto, son tomados del ACI (Manual of Concrete Practice). El uso de normas y manuales mexicanos es también muy aceptable en nuestro país de Perú y Japón son adaptadas al Reglamento elaborado por el Ministerio de Obras Públicas.

14

7. MARCO TEORICO 7.1.- CIMENTACIONES PROFUNDAS Las Cimentaciones profundas 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. Este tipo de cimentación se utiliza cuando se tienen circunstancias especiales: Una construcción determinada extensa en el área de austentar Una obra con una carga demasiada grande no pudiendo utilizar ningún sistema de cimentación especial. Que terreno al ocupar no tenga resistencia o características necesarias para soportar construcciones muy extensas o pesadas. Algunos métodos utilizados en cimentaciones profundas son:     

Pilas y Cilindros. Pilotes. ™ Pantallas: Pantallas isostáticas. pantallas hiperestáticas.

7.1.1.- PILAS Y CILINDROS En la ingeniería de cimentaciones el termino pila tiene dos significados diferentes. De acuerdo con uno de sus usos la pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple una zapata, es decir transmitir las cargas que soporta al suelo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad de la cimentación con respecto a la base de las pilas es por lo general mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es menor que la unidad. De acuerdo con su segundo uso, una pila es el apoyo, ya sea de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente. Puede considerarse a la pila en sí misma, como una estructura que a su vez debe estar apoyada sobre una cimentación adecuada. La base de una pila puede descansar directamente sobre un estrato firme o puede estar apoyada sobre una serie de pilotes. Los cuerpos de pila situados en los extremos de un puente reciben el nombre de estribos. Las dimensiones del cuerpo de una pila están restringidas entre otras cosas por la magnitud de las reacciones de los apoyos, la distancia para la dilatación de la superestructura y la distancia entre armaduras y trabes. Hay varios tipos de pilas: las llenas de usan

15

regularmente en puentes ferroviarios, las dobles de adaptan muy bien a puentes carreteros y las pilas T suelen usarse para librar claros sobre vías de ferrocarril o carreteras.

1. ELECCIÓN DEL TIPO DE PUENTE Y PILA Entre todas las soluciones posibles, ¿cómo ha de elegirse el mejor proyecto de puente para un caso particular? En la práctica el planteamiento del proyecto de los cimientos pilas y estribos y de la superestructura constituye un problema general en el que cada parte está influenciada y depende de cierta forma por las otras. En primer lugar el puente ha de tener cierta capacidad y resistencia para satisfacer el tráfico que transita, además deberá de ser la más apropiada, económica, factible para su construcción y tendrá que satisfacer ciertas características estéticas y de vida útil. Entre las cosas más importantes que deben tomarse en cuenta para la elección de las características básicas de la estructura y cimentación de un puente, figuran las siguientes: 1. Los grandes claros horizontales y verticales necesarios para la navegación (cuando el puente cruza un brazo de mar o río) pueden afectar el planteamiento del proyecto de tal manera que únicamente son factibles las estructuras de tramos largos y altos. 2. Es posible que se requiera una estructura de gran altura y con tráfico continuo, por lo que es conveniente utilizar algunos puntos altos de cimentación y de tramos altos. 3. Los accesos largos y elevados pueden resultar mucho más costosos que es posible que convenga más una estructura de un nivel más bajo y un tramo o tramos móviles. 4. Los puentes de tablero superior proporcionan una mejor vista del paisaje que los de tablero inferior, especialmente en los puentes carreteros de manera que, si los claros verticales no son importantes para tramos de igual longitud, los arcos y/o vigas rectas de los puentes de tablero superior resultan más económicas que las de tablero inferior además, se requieren pilas más pequeñas. 5. Debe tomarse en cuenta la elección del material para la construcción, ya sea concreto o acero, ya que cada uno, además del costo, es particularmente apto para ciertos tipos de estructura. 6. La topografía del terreno influye claramente en el diseño de la cimentación y en algunos casos puede ser de utilidad en la construcción de la misma. 7. La cantidad de fondos disponibles para el proyecto, si bien puede condicionar muchas de las acciones del ingeniero, no es una excusa para que se deje de lado la seguridad de la obra, antes, durante y después de su construcción. 8. El tipo de tráfico también puede ser una limitante en el diseño de la estructura, por ejemplo un puente ferroviario requiere de una estructura rígida, de manera que es más aconsejable el empleo de vigas robustas y pilas adecuadas.

16

9. Las preferencias personales del propietario, del arquitecto y las del propio ingeniero pueden tener gran importancia al hacer la elección. Es importante mencionar que, para estimar las cargas que han de utilizarse en el análisis preliminar de las pilas y estribos deberán considerarse básicamente tres tipos de cargas:  Cargas muertas o peso propio de la estructura.  Cargas vivas o variables, como son el paso de los vehículos a ciertas horas.  Cargas accidentales, como las fuerzas sísmicas, de viento, oleaje y nieve.  Cargas imprevistas como impactos y explosiones.

Hay pilas huecas, macizas, dobles y de variadas formas, todas ellas según las necesidades del constructor sin embargo, la elección de una u otra forma de pila trae consigo ciertos problemas constructivos, sobre todo si se van a utilizar en puentes marítimos, pues el oleaje intenso, las mareas y la sola presencia del agua son obstáculos difíciles de superar y en ocasiones es necesario utilizar equipo especializado para la excavación e hinca de ciertos tipos de pilas. 7.1.2.- PILOTES Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal pequeña en comparación con su longitud. Se hincan en el suelo a base de golpes generados por maquinaria especializada, en grupos o en filas, conteniendo cada uno el suficiente número de pilotes para soportar la carga de una sola columna o muro. Son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno (pilotes de extracción ejecutados in situ). Antiguamente eran de madera, hasta que en los años 1940 comenzó a emplearse el hormigón. La figura 3 representa pilotes prefabricados y la figura 4, dichas estructuras en vista espacial.

17

A. PILOTES CON CAJONES Se dividen en tres tipos principales: 1. Cajones abiertos 2. Cajones cerrados 3. Cajones neumáticos. 1.- CAJONES ABIERTOS -

Son pilotes de concreto que permanecen abiertas en sus partes superior e inferior durante la construcción. El fondo del cajón tiene un borde cortante.

-

El cajón se entierra en su lugar y el suelo del interior se retira por medio de cucharones de almeja hasta alcanzar el estrato de apoyo.

-

Los cajones pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares u ovalados. Una vez alcanzado el estrato de apoyo, se vierte concreto en el cajón (bajo agua) para formar un sello en su fondo. Cuando fragua el concreto del sello, el agua dentro del cajón se bombea hacia afuera. Se vierte entonces concreto en el cajón para llenarlo.

Fig. 1

18

2.-CAJONES CERRADOS -

Son estructuras con fondo cerrado y se construyen en tierra y luego se transportan al sitio de la construcción. Se entierran gradualmente en el sitio llenando su interior con arena, balasto, agua o concreto.

-

El costo de este tipo de construcción es bajo.

-

La superficie de apoyo debe estar a nivel, y si no lo está, debe nivelarse por excavación.

Fig. 2

3.-LOS CAJONES NEUMÁTICOS -

Se usan generalmente para profundidades de entre 50 y 130 pies (15-40 m). aproximado.

19

-

Este tipo se requiere cuando una excavación no logra mantenerse abierta porque el suelo fluye al área excavada más rápidamente de lo que puede ser removido.

-

Un cajón neumático tiene una cámara de trabajo en el fondo que tiene por lo meno s 10 pies (3m) de altura.

-

En esta cámara, los trabajadores excavan el suelo y cuelan el concreto. La presión de aire en la cámara se mantiene suficientemente alta para impedir que el agua y el suelo penetren en ella.

-

Los trabajadores usualmente no tienen molestias severas cuando la presión en la cámara se eleva a 15 Ib/puig2 (100 kN/m2) por encima de la presión atmosférica.

Fig. 3

B. FUNCIÓN DE LOS PILOTES Cuando el suelo situado al nivel en que se desplantaría normalmente una zapata o una losa de cimentación, es demasiado débil o compresible para proporcionar un soporte adecuado, las cargas se transmiten al material más adecuado a profundidad por medio de pilotes o pilas. La diferencia entre estos elementos es algo arbitraria. Evidentemente los pilotes se utilizan cuando las condiciones del suelo no son adecuadas para el empleo de zapatas o

20

losas de cimentación o cuando la construcción de estas en los lugares dispuestos para su emplazamiento son inadecuadas, antieconómicas o bien no viables. Por consiguiente los pilotes van generalmente asociados con problemas difíciles de cimentación y con las condiciones peligrosas del suelo. Sin embargo, esto no significa que las cimentaciones sobre pilotes sean peligrosas, es una advertencia para los inexpertos e imprudentes, particularmente para los propietarios y constructores. El planteamiento de una cimentación con pilotes -y frecuentemente la realización de ésta- requiere obtener todos los datos que puedan conseguirse de un modo razonable sobre las características del suelo sobre el que se va a cimentar, estudiar y comprobar las posibles soluciones para la cimentación, eliminar hasta donde sea posible, toda incertidumbre que pueda evitarse y respetar el sano criterio profesional de la ingeniería. C. TIPOS DE PILOTES Los pilotes se construyen en una gran variedad de materiales, longitud y forma de su sección, y que se adaptan a diversas necesidades de carga, colocación y economía. Entre algunos de los más comunes tenemos:  Pilotes de madera: Son el tipo de pilote más antiguo, ya desde la época del Imperio Romano se utilizaban. Proporcionan una cimentación segura y económica con ciertas restricciones, su longitud está limitada por la altura de los árboles disponibles. No pueden resistir esfuerzos debidos a un fuerte hincado ya que pueden romperse fácilmente, sobre todo cuando se penetran estratos muy resistentes.  Pilotes de concreto: Son de los más usados en la actualidad, los hay de sección circular, cuadrada y octagonal y en tamaños de 8, 10 y 12 metros. Pueden dividirse en dos categorías: colados en el lugar -in situ- y precolados. Los colados en el lugar pueden ser con o sin ademe. Los precolados pueden ser también preesforzados con el fin de reducir las grietas que se forman por el manejo e hincado además de que proporciona resistencia a los esfuerzos de flexión. Todos los pilotes de concreto son reforzados con acero para evitar que sufran daños durante su transportación y colocación.  Pilotes de acero: Los tubos de acero se utilizan mucho como pilotes y usualmente se llena de concreto después de hincados, y si el hincado es violento es posible utilizar perfiles I o H de acero. Estos pilotes están sujetos a corrosión, aunque el deterioro no es significativo aunque si se hincan bajo el mar, la acción de las sales puede ser importante. D. FUNCIONAMIENTO GENERAL DE UN PILOTE BAJO CARGA Un pilote puede hincarse dentro de un estrato profundo de suelo granular u cohesivo, cuando se carga un pilote con una carga vertical P aplicada sobre el cabezal del mismo, éste tiende a penetrar más dentro del suelo, lo que genera un cierto comportamiento bajo carga. Los pilotes se pueden clasificar cono pilotes de punta y pilotes de fricción. Un pilote de punta obtiene casi toda su capacidad de carga de la roca o estrato de suelo que está

21

cerca de la punta y muy poca del suelo que rodea su fuste. Por otra parte, un pilote de fricción adquiere su capacidad de carga principalmente del suelo que lo rodea, ya que se generan fuerzas friccionantes y cohesivas que le ayudan a soportar la carga, ya que el suelo que está cerca de la punta soporta un porcentaje muy pequeño de la carga del pilote. Hay pilotes de varias formas de sección, como ya se había mencionado, así como también hay pilotes cuyo tamaño de sección cambia con la longitud del mismo y son los pilotes cónicos, éstos tienen una gran ventaja ya que al hincarse una parte de la carga es soportada por la punta del pilote mientras el resto de la carga es soportada por las fuerzas cohesivas y de fricción que hay entre el fuste del pilote y el suelo que lo rodea. Como se dijo anteriormente, los pilotes también pueden trabajar en conjunto, Si los pilotes son de punta cada uno trabajará como un pilar y descargará directamente sobre el suelo o roca; si los pilotes son de igual tamaño, sección, inclinación y penetración, puede suponerse hasta cierto punto que cada uno soportará la misma carga. E. ELECCIÓN DEL TIPO DE PILOTE La manera de elegir un determinado tipo de pilote se basa en las condiciones del subsuelo, las características de hincado del pilote, el comportamiento esperado de la cimentación y la economía; éste último aspecto debe basarse en el costo total de la cimentación y no únicamente en el costo de los pilotes.

F. TIPOS DE CARGAS EN PILOTES La mayoría de las estructuras están sometidas a un conjunto de cargas combinadas y no únicamente a cargas verticales o laterales, por esta razón las cimentaciones deben ser capaces de soportar momentos. Debajo de estructuras como muros de compuertas, muros de sostenimiento y edificios ordinarios se producen fuerzas verticales hacia abajo causadas por el peso de la estructura y que suelen ser mucho mayores que las fuerzas hacia arriba producidas por los momentos provocados por las cargas laterales. Por otro lado, los pilotes situados del lado de sotavento de las torres altas de acero o depósitos para almacenar gas del tipo de pistón, puede considerarse que producen una reacción que contrarresta las fuerzas verticales hacia arriba. Cuando deben transmitirse al subsuelo fuerzas laterales por medio de un a cimentación piloteada, es importante el decidir si se deben hincar algunos pilotes inclinados. Esta decisión debe basarse en la capacidad de los pilotes para soportar cargas laterales. Cuando las cargas laterales por pilote exceden a la carga vertical que puede soportar un pilote vertical, es necesario utilizar pilotes tanto verticales como inclinados. Los pilotes inclinados

22

se usan comúnmente en los estribos y pilas de puentes, en los muros de contención y para proporcionar estabilidad a olas filas transversales de pilotes. Cuando se usan pilotes verticales e inclinados, y si están hincados a la misma profundidad y trabajan por punta, se puede suponer que la capacidad de carga axial de cada uno de ellos es la misma; cuando los pilotes son de fricción puede hacerse la misma suposición bajo las mismas condiciones.

G. CONSIDERACIONES GENERALES VENTAJAS Y DESVENTAJAS Algunas de las desventajas que presentan los pilotes son:  La dificultad de aumentar o reducir su longitud en caso de que ésta no sea bien estimada.  Es difícil saber a simple vista cuando un pilote ha fallado, ya que no es necesario que el pilote desaparezca en las profundidades subterráneas ni tampoco que se rompa o doble.  Si un pilote es colocado en un lugar equivocado, ya no es posible su extracción para reutilizarlo Algunas de las ventajas en el uso de pilotes son:  Resultan convenientes cuando las condiciones del suelo no son favorables para la utilización de otro tipo ce cimentaciones.  Proporcionan buenas soluciones para la distribución de cargas en el subsuelo ya que pueden trabajar individualmente o en grupos de pilotes.

7.2.- PANTALLAS Son muros verticales profundos que soportan las presiones del terreno; por tanto, es necesario anclar el muro a dicho terreno. TIPOS DE PANTALLAS  Pantallas isostáticas: con una línea de anclajes  Pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.

23

7.3- ASENTAMIENTOS: -

Se estimara primero el asentamiento tolerable por la estructura y luego se calculara el asentamiento del pilote aislado o grupo de pilotes para luego compararlos

-

En el cálculo del asentamiento del Pilote aislado se consideran 3 aspectos: o El asentamiento debido a la deformación axial del pilote, o El asentamiento generado por la acción de punta o El asentamiento generado por la carga transmitida por fricción.

-

En el caso de pilotes el suelo granular, el asentamiento del grupo está en función del asentamiento por fricción.

-

En el caso de pilotes en suelos cohesivos, el principal componente del asentamiento del grupo proviene de la consolidación de la arcilla. Para estimar el asentamiento, en este caso puede reemplazarse al grupo de pilotes por una zapata imaginaria ubicada a 2/3 de la profundidad del grupo de pilotes, de dimensiones iguales a la sección del grupo, y que aplica la carga transmitida por la estructura.

ASENTAMIENTO ADMISIBLE -

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.

24

MÉTODO SIMPLE PARA ESTIMAR EL ASENTAMIENTO DE UN 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 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.

25

7.4.- ASENTAMIENTO DE 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. 1.- Asentamiento de un Pilote Individual en Arcilla El asentamiento de un pilote en una capa de espesor finito que suprayace a un material incompresible puede obtenerse de la expresión:

26

2.- Asentamiento de Pilotes dentro de un Grupo en Arcilla El asentamiento ρi del pilote i dentro de un grupo puede calcularse de la expresión:

Aunque el gráfico está dibujado para ν = 0.5, el valor de ν no es crítico, pudiendo ser utilizado para todos los valores de ν. 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.

3.- 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

27

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. 4.- 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 de la Figura 3.4, donde

5.- Un Método Simple para Estimar el Asentamiento de un 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 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. Lo anterior se ilustra en la Figura 3.5

6.- 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

28

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 Qu, formada por la carga última en el fuste y en la punta, luego bajo la carga Q,

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:

7.- Formulas De Hinca Las fórmulas de hinca de pilotes tratan de relacionar la capacidad portante de un pilote con su resistencia al hincado. Aunque desacreditadas por muchos ingenieros, las fórmulas de hinca todavía se utilizan en el sitio, como una verificación de las predicciones de diseño utilizando la mecánica de suelos. No se recomienda el empleo de las fórmulas de hinca en el diseño de pilotes; sin embargo, a pesar de sus limitaciones puede utilizarse para ayudar al ingeniero a evaluar las condiciones del terreno en un pilotaje, revelando probablemente variaciones que no fueron aparentes durante la investigación de campo. Las capacidades de carga de pilotes determinadas en base a las fórmulas de hincado no son siempre confiables. Deben estar apoyadas por experiencia local y ensayos; se recomienda precaución en su utilización. Existe un gran número de fórmulas de hincado, tal como la muy conocida fórmula del Engineering News Record. La Tabla 4.1 de US Navy (1982) recomienda el empleo de

29

fórmulas de hinca según el martillo a ser utilizado. Estas fórmulas pueden utilizarse como una guía para estimar las capacidades admisibles de los pilotes y como control de construcción cuando están complementadas por ensayos de carga.

7.5.- ENSAYO DE CARGA EN PILOTES 1.- Generalidades La única manera segura de saber si un pilote es capaz de soportar la carga requerida, es ejecutar un ensayo de carga. Este ensayo también puede utilizarse para medir las características de carga-deformación del pilote. En un trabajo de pilotaje, uno o más pilotes se ensayan; los pilotes de ensayo se seleccionan de manera aleatoria entre los pilotes que se están instalando o pilotes especiales pueden hincarse con antelación para verificar el diseño.

30

1.1- La prueba de carga se realiza generalmente por las siguientes razones, Vesic (1977): 1° Verificar experimentalmente que la actual respuesta del pilote a la carga (reflejada en la relación carga-asentamiento) corresponde a la respuesta asumida por el diseñador. 2.1- Que la carga última actual del pilote no es menor que la carga última calculada y que fue usada como base en el diseño de la cimentación. 3.1- Obtener datos del suelo deformado y facilitar el diseño de otro pilote. 4.1- Determinar el comportamiento carga-asentamiento de un pilote, especialmente en la región de carga de trabajo. 5.1- Para indicar la dureza estructural del pilote. 2.- Formas y Tipos de Aplicación de Carga Los equipos para aplicar la carga a compresión pueden ser los de la norma ASTM-D-114381. "Pilotes bajo Carga Axial Estática de Compresión", u otros, construidos de tal forma que la carga sea aplicada al eje central y longitudinal del pilote; el equipo del sistema de carga incluye una gata hidráulica, una bomba hidráulica y manómetros. La norma ASTM menciona los siguientes arreglos o dispositivos para aplicar la carga al pilote: 1).- Carga aplicada al pilote o grupo de pilotes por gata hidráulica actuando frente a un marco de reacción anclado. Puede realizarse de dos formas, con pilotes de anclaje o con anclaje enterrado. a).- 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. 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. La Figura 5.1 muestra este tipo de arreglo.

31

b). 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. La Figura 5.2 presenta este tipo de arreglo.

32

2).- 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. Con este dispositivo de carga la gata hidráulica reacciona frente a esta carga como lo muestra la Figura 5.3.

33

3).- 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. La Figura 5.4 muestra este arreglo.

En lo referente al asentamiento de la cabeza del pilote, éste se puede medir de tres formas: a) Nivelación directa con referencia a un datum fijado (BM).

34

b) Por un alambre sostenido bajo tensión entre dos soportes y pasando a través de una escala pegada al pilote de prueba. c) Por medio de vigas de referencia una a cada lado del pilote de prueba, las cuales tienen un mínimo de dos deformómetros, con las espigas paralelas al eje longitudinal del pilote y soportada por orejas firmemente pegadas sobre los lados del pilote debajo de la plancha de prueba; alternativamente, los dos deformómetros podrían montarse en lados opuestos del pilote de prueba, pero encima de las vigas de referencia; estos deformómetros deberían tener una precisión de al menos 0.01 pulgadas (0.25 mm). 4).- Procedimiento de Carga Existen diversos tipos de procedimientos de carga, la norma ASTM-D-1143-81 resume la mayoría de éstos, pero tan sólo se presentarán los más comunes, que son: a) Prueba de carga mantenida. Llamada también ML y es el denominado por el ASTM-D-1143-81 como el procedimiento estándar de carga; el procedimiento a seguir es el siguiente: Siempre y cuando no ocurra la falla primero, cargar el pilote hasta 200% de su carga de diseño, aplicando la carga en incrementos del 25% de la carga de diseño del pilote. Mantener cada incremento de carga hasta que la razón de asentamiento no sea más grande que 0.01 pulgadas (0.25 mm)/hora, pero no mayor que 2 horas. Si el pilote de prueba no ha fallado, remover la carga de prueba total en cualquier momento después de 12 horas si el asentamiento del tope sobre un período de 1 hora no es más grande que 0.01 pulgadas (0.25 mm); si ocurre lo contrario, permita que la carga total permanezca sobre el pilote por 24 horas. Después del tiempo requerido de espera, remover la carga de prueba en decrementos de 25% de la carga total con 1 hora entre decrementos. Si la falla del pilote ocurre, continúe aplicando carga con la gata al pilote hasta que el asentamiento sea igual al 15% del diámetro del pilote o dimensión diagonal. b) Razón de penetración constante: Fue un método desarrollado por Whitaker en 1957 para modelos de pilotes (pilotes de prueba preliminares) y posteriormente usado para ensayos de pilotes de tamaño natural; este método también es llamado CRP y tiene la ventaja de ser rápido en su ejecución, no dando tiempo a la consolidación del terreno. El método consiste en hacer penetrar el pilote a una velocidad constante y medir continuamente la fuerza aplicada en la cabeza del pilote para mantener la razón de aplicación. La norma ASTM-D-1143- 81 especifica que la razón de penetración del pilote debe ser de: 0.01 a 0.05 pulgadas (0.25 a 1.25 mm)/min. en suelo cohesivo y 0.03 a 0.10 pulgadas (0.75 a 2.5 mm)/min. en suelo granular.

35

5.- Criterios de Carga de Falla El criterio más usado para definir la carga de rotura en un gráfico carga vs. asentamiento, es aquel que muestra un cambio brusco en la curva obtenida, pero en la mayoría de los casos, la pendiente de la curva varía gradualmente, no pudiendo establecerse en forma definida la carga de rotura. Otra observación hecha a este criterio, es que frecuentemente la escala adoptada para el trazado carga vs. asentamiento no es escogida con criterio bien definido. Para uniformizar los criterios de escala, se ha sugerido que la curva carga vs. asentamiento sea escogida de tal forma que la recta que corresponde a la deformación elástica del pilote PL/AE forme un ángulo de 20° con la horizontal. Sin embargo éste no es criterio reglamentado, y en vista de que en mecánica de suelos no existe un criterio uniforme para establecer la carga de rotura se mencionarán algunos de estos criterios. Los criterios recopilados por Vesic (1975) son: 1.- Limitando el asentamiento total a) absoluto: 1" (25.4 mm) (Holanda, Código de Nueva York). b) relativo: 10% del diámetro del pilote (Inglaterra) 2.- Limitando el asentamiento plástico a) 0.25 pulgada (6.35 mm) (AASHTO) b) 0.33 pulgada (8.40 mm) (Magnel) c) 0.50 pulgada (12.7 mm) (Código de Boston) 3.-Limitando la relación asentamiento plástico/asentamiento elástico a 1.5 (Cristiani y Nielsen) 4.5.- Limitando la relación asentamiento/carga a) Total 0.01 in/ton (California, Chicago). b) Incremental 0.03 in/ton (Ohio) 0.05 in/ton (Raymond Co). 6.- Limitando la relación asentamiento plástico/carga a) Total 0.01 in/ton (New York) b) Incremental 0.03 in/ton (Raymond Co). 7.-

36

8.- Curvatura máxima de la curva log W/log Q (De Beer, 1967) 9.Fellenius (1980) recopiló varios criterios de falla aplicables al gráfico carga vs. asentamiento. a).- Método de Davisson.- La carga límite propuesta es definida como la carga que corresponde a un asentamiento que excede la compresión elástica del pilote por un valor X dado por:

El método de Davisson se aplica a ensayos de velocidad de penetración constante, si se aplica a ensayos con carga mantenida, resulta conservador.

b) Método de Chin: Se admite que la curva carga-asentamiento cerca a la rotura es hiperbólica. En este método el asentamiento es dividido por su correspondiente carga y el gráfico pasa a ser una curva de asentamiento/carga vs. asentamiento. Los puntos obtenidos tienden a formar una recta y la inversa de la pendiente es la carga de rotura. Este método se aplica a pruebas rápidas o lentas, ya que el tiempo de aplicación de los estados de carga es constante. c) Método de De Beer.La curva carga vs. asentamiento es llevada a un gráfico log-log. Para los valores de carga mayores, los puntos tienden a caer en dos rectas y su intersección es la carga de rotura. d) Criterio de 90% de Brinch-Hansen.La carga de rotura será aquella cuyo asentamiento es el doble del asentamiento medido para una carga que corresponde al 90% de la carga de rotura.

e) Método de Fuller y Hoy: De acuerdo a este criterio, la carga de rotura es aquella que corresponde al punto en la curva carga-asentamiento tangente a una recta de inclinación 0.05 in/ton. f) Método de Butler y Hoy:

37

La carga de rotura es definida como aquella correspondiente al punto de intersección de dos rectas tangentes, la primera corresponde a la tangente a la curva y que tenga una inclinación de 0.05 in/ton. y la segunda recta tangente es aquella paralela a la línea de compresión elástica del pilote y tangente a la curva. En las Figuras 5.5 y 5.6 se presenta la descripción gráfica de los distintos criterios para evaluar la carga de falla.

38

39

40

CAPITULO II OBJETIVOS E HIPOTESIS

1. OBJETIVO GENERAL Determinar la aplicación de cimientos profundos por pilotaje. 2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar la aplicación de cimientos profundos por pilotaje para edificaciones en la ciudad de Lima. 3. HIPOTESIS  Las cimentaciones profundas por pilotaje se utilizan cuando sucede alguna de las siguientes condiciones: - El estrato o estratos superiores del suelo son altamente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura. - Se quieren reducir o limitar los asientos del edificio. - Existe peligro inminente de licuación de suelos, es decir, presencia de arenas sueltas y nivel freático alto. - Presencia de suelos colapsables. - La permeabilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecución de cimentaciones superficiales. - Las cargas son muy fuertes y concentradas. - Hay presencia de suelos expansivos, las cimentaciones con pilotes se consideran como una alternativa cuando éstos se extienden más allá de la zona activa de expansión y contracción. - Las cimentaciones de algunas estructuras están sometidas a fuerzas de levantamiento. - Hay presencia de fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por flexión mientras soportan aún la carga vertical transmitida por la superestructura. - Se quiere evitar los daños que puede sufrir una futura excavación a la cimentación de una edificación adyacente; en este caso el pilote lleva la carga de la cimentación debajo del nivel de excavación esperado. - Se desea proteger estructuras marinas como muelles, atracaderos contra impactos de barcos u objetos flotantes.

41



El estrato predominante en Lima metropolitana es un depósito de suelo fluvial que caracteriza al cono de deyección del rio Rimac y que está conformado fundamentalmente por bolones, cantos rodados y gravas con una matriz de arenas y algo de finos (GP-GW), con un espesor que probablemente sea mayor a 400m y que se le conoce localmente como “Conglomerado de Lima”. Diversos estudios para obtener los parámetros de corte del conglomerado de Lima, como los estudios de Alva (1981) y Martinez (1996), dan como resultado ángulos de fricción interna que varían entre 35 y 45º y valores de cohesión que varían entre 20 y 40 kN/m2 . Este estrato tiene una cobertura o estrato superficial generalmente conformado por un suelo de relleno limo-arcilloso (ML-CL) de espesor variable; de 0.30 a 1.50m en la zona central del cono de deyección, desde Pueblo Libre a La Victoria, desde el Cercado a Miraflores, etc.; de 1.50 a 15m en los bordes del cono de deyección, tales como los distritos de Callao, Chorrillos, Barranco, etc. En el Callao, esta cobertura se complica por la presencia de zonas turbosas y a veces pantanosas, siendo más bien un suelo errático. Las zonas de mayor tráfico y movimiento económico están en la zona central del cono de deyección.

42

CAPITULO III TIPO Y DISEÑO DE INVESTIGACION 1. TIPO DE INVESTIGACION INVESTIGACION DESCRIPTIVA Y EXPLICATIVA 2. DISEÑO DE INVESTIGACION INVESTIGACIÓN DOCUMENTAL Técnica utilizada, la investigación documental, conocida también como observación indirecta, consiste en la revisión de aquellos documentos escritos, audiovisuales o de otra índole que permitan al investigador obtener información recopilada, procesada y sistematizada por otros investigadores que pueda ser útil a los fines de la investigación. Para la realización de esta investigación esta técnica se ha basado fundamentalmente en la revisión de libros, publicaciones diarias y periódicas, series estadísticas, informes técnicos, estudios académicos y documentos oficiales de las administraciones públicas que tienen que ver mucho en el tema.

43

CAPITULO IV 1. CONCLUCIONES Cimentaciones profundas: las cimentaciones profundas se encargan de transmitir las cargas que reciben de una construcción a mantos resistentes más profundos. Son profundas aquellas que transmiten la carga al suelo por presión bajo su base, pero pueden contar, además, con rozamiento en el fuste; las clasificamos en: Cilindros Y Cajones Cimentación por pilotes: un pilote es un soporte, normalmente de hormigón armado, de una gran longitud en relación a su sección transversal, que puede hincarse o construirse “in situ” en una cavidad abierta en el terreno. Los pilotes son columnas esbeltas con capacidad para soportar y transmitir cargas a estratos más resistentes o de roca, o por rozamiento en el fuste. Por lo general, su diámetro o lado no es mayor de 60 cms. Forma un sistema constructivo de cimentación profunda al que denominaremos cimentación por pilotaje. Los pilotes son necesarios cuando la capa superficial o suelo portante no es capaz de resistir el peso del edificio o bien cuando ésta se encuentra a gran profundidad; también cuando el terreno está lleno de agua y ello dificulta los trabajos de excavación. Con la construcción de pilotes se evitan edificaciones costosas y volúmenes grandes de cimentación. Los casos se utilizan las Cimentaciones Profundas  Se opta por cimentaciones profundas cuando los esfuerzos transmitidos por el edificio no pueden ser distribuídos suficientemente a través de una cimentación superficial, y en la solución probable se sobrepasa la capacidad portante del suelo.  Cuando el terreno tiende a sufrir grandes variaciones estacionales: por hinchamientos y retracciones.  Cuando los estratos próximos al cimiento pueden provocar asientos imprevisibles y a cierta profundidad, caso que ocurre en terrenos de relleno o de baja calidad.  En edificios sobre el agua.  Cuando los cimientos están solicitados a tracción; tal como ocurre en edificios altos sometidos a esfuerzos por vientos, o en estructuras que necesitan elementos sometidos a tracción para lograr estabilidad, como estructuras de cables o cualquier estructura anclada al suelo.  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.(tablestacado)  Para el recalce de cimientos existentes.

44

2. RECOMENDACIONES  La planificación de la exploración del subsuelo deberá realizarse en base a sondeos con el propósito de conocer las condiciones naturales en las que se encuentra el terreno donde se pretende construir, dicha exploración se llevará a cabo según el tipo de obra, se recomienda que la cantidad y profundidad de los sondeos sean propuestos por el geotecnista.  Para el diseño de pilotes de concreto reforzado el diseñador debe considerar los requisitos mínimos establecidos por el código A.C.I.‐318, para garantizar la funcionalidad de la cimentación de acuerdo al proyecto.  El método más seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, es la prueba de carga. Los ensayos de carga se recomienda hacerlos para determinar la carga máxima de falla de un pilote o grupo de pilotes o para determinar si un pilote o grupo de pilotes es capaz de soportar una carga sin asentamiento excesivo o contínuo.  Se sugiere que las empresas que se dedican a la construcción de cimentaciones profundas, cuenten con los equipos, accesorios y mano de obra calificada para garantizar la calidad de los procesos constructivos del pilote.

45

IV. REFERENCIAS Y ANEXOS 1. FOTOS

Las Zanjas para los Pilotes de los Puentes de la Linea 1 sobre el Rimac.

46

2. BIBLIOGRAFÍA

1) Aoki N. y Velloso D.A. (1975), "Un Método Aproximado para Calcular la Capacidad de Carga de Pilotes", V Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Buenos Aires, Argentina, pp 367-376. 2) Berezantsev V.G. (1961), "Load Bearing Capacity and Deformation of Piled Foundations", 5th International Conference on Soil Mechanics, Paris. 3) Bortolucci A.A., Albiero J.H. y Gonzaga S.C. (1988), "Programa para Cálculo de Capacidade de Carga em Estacas Fórmulas Empiricas",

Simposio sobre

Aplicaciones de Microcomputadores en Geotecnia, Microgeo 88, Brasil. 4) Broms B. (1966) "Methods of Calculating the Ultimate Bearing Capacity of Piles, a Summary", Sols-Soils, Vol. 5. 5) Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (1989). "Manual de Diseño y Construcción de Pilas y Pilotes”, Mexico D.F. 6) Tomlinson M.J. (1975), "Foundation Design and Construction", Pitman, London. 7) Tomlinson M.J. (1987), "Pile Design and Construction Practice", E & FN SPON, Londres. 8) Van Weele A.F. (1957), "A Method of Separating the Bearing Capacity of a Test Pile into Skinfriction and Point-resistance", Proc. 4th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol 2, pp 76-80. 9) Velloso P.P.C. (1982), "Cimentaciones - Aspectos Geotécnicos", Vol. 3, Pontificia Universidad Católica, Río de Janeiro. 10) Vesic A.S. (1977), "Design of Pile Foundations", National Cooperative Highway Research Program, Synthesis of Highway Practice, Transportation Research Board, Washington, D.C. 11) Whitaker T. (1957), "Experiments with Model Pile Group", Geotechnique, Vol. 7.

47

3. WEBGRAFIAS

1. http://www.acingenieros.com/descargas/pdfs/Articulo_03_Parte_02.pdf 2. http://grupos.unican.es/gidai/web/asignaturas/CI/Cimentaciones.pdf 3. http://www.univo.edu.sv:8081/tesis/013369/013369_Cap1.pdf 4. http://www.geoteknia.com/normas/cte/CTE_SE_C_5%20Cimentaciones%20Profun das.pdf 5. http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/850/MOSQUEIRA_ MORENO_MIGUEL_SEGURIDAD_SISMICA_COSTA_PERUANA.pdf?sequence=1 6. http://www.geoteknia.com/normas/cte/CTE_SE_C_5%20Cimentaciones%20Profun das.pdf 7. https://www.youtube.com/watch?v=2ih_--sM-pQ 8. http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/a_labgeo/labgeo25_a.pdf 9. http://www.constructivo.com/cn/d/novedad.php?id=263 10. http://www.terratest.com.pe/docs/publication/10_MUROS_PILOTE_OBRAS_VIALE S.pdf 11. http://www.univo.edu.sv:8081/tesis/018151/018151_Cap6.pdf

48