Presión lateral de concreto fresco en pilas profundas

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Presión lateral de concreto fresco en pilas profundas coladas in situ
Lateral pressure of wet concrete in deep cast in place shafts
1
2
2
Manuel J. MENDOZA , Enrique IBARRA , Miguel RUFIAR y Salvador A. MENDOZA
1
2
Investigador Titular y Subdirector, Instituto de Ingeniería, UNAM
2
Ingeniero de proyecto, Instituto de Ingeniería, UNAM
RESUMEN: Se presentan en este artículo mediciones de la presión lateral de concreto durante su colado, realizadas en
la perforación de dos pilas de alrededor de 40 m de profundidad, en una cimentación ubicada al poniente de la ciudad de
México. Las mediciones se efectuaron mediante cuatro celdas de presión distribuidas a lo largo del acero de refuerzo de
cada pila. Se describen las características del concreto y del colado de las pilas, las isócronas de presión lateral en toda
la profundidad y la envolvente de presiones laterales máximas. Las mediciones muestran que la distribución de presiones
máximas en el concreto fresco dentro de la perforación es de tipo hidrostática sólo hasta una profundidad que resulta
somera; a profundidades mayores, la presión lateral exhibe valores constantes o incluso decrecientes. El conocimiento
de la distribución de la presión lateral en el concreto fresco mereció atención para poner a revisión un enfoque de diseño
que relaciona la capacidad de carga por fricción en pilas coladas en el lugar, con la presión tipo hidrostático del concreto
fresco; tal variación lineal no se alcanza incluso en condición de concreto fresco.
ABSTRACT: Lateral pressures of wet concrete for drilled shafts were measured during casting in two drillings, about 40-m
depth, belonging to a foundation that was built at a Western area of Mexico City; their results are discussed in this paper.
Four pressure cells were placed along the full length of the reinforcement cage. Concrete fluidity characteristic,
isochrones of lateral pressure through the full depth, and the enveloping of maximum lateral pressures are described. The
maximum lateral pressures in wet concrete only follow the full hydrostatic fluid concrete pressure to a shallow depth.
Below this depth, the lateral pressures are less than the total overburden pressure, keeping a constant value, or even
exhibiting a decreasing tendency. The distribution of lateral pressures in wet concrete deserves attention because a
design approach has been proposed, that assumes a linear relationship between the hydrostatic type pressure of the
fresh concrete, and the shaft friction contribution to load bearing capacity of drilled shafts. Such linear variation is not even
reached in the wet condition of the concrete.
1 INTRODUCCIÓN
perforación; esto es, con una distribución de
presiones horizontales de tipo hidrostática:
1.1 Antecedentes
Un método reciente en nuestro país para considerar
el aporte de la fricción en pilas coladas in situ es el
propuesto por Tamez (2003), en el que supone que
la contribución por fricción del fuste es función del
esfuerzo normal horizontal a la pila generado no por
el tradicional esfuerzo horizontal efectivo (el
producto K σ'v) del suelo circundante, sino por el del
concreto fresco del colado y del ángulo de fricción
interna suelo-suelo o suelo-pila. Se ha sugerido el
empleo de este método en medios firmes y/o
granulares, tales como los que se tienen en las
zonas geotécnicas I y II de la ciudad de México. El
Profesor Tamez señala que la resistencia
friccionante unitaria del fuste, fs, para cimientos
colados in situ sigue una variación lineal y creciente
con la profundidad y proporcional al peso
volumétrico del concreto fresco colado en la
fs=γc z tan φ
(1)
donde γc es el peso volumétrico del concreto, y z es
la profundidad media del estrato de análisis.
Con este método se calculan resistencias del
fuste mayores que con los métodos clásicos (p.e.
Kulhawy, 1991; Mayne y Harris, 1993) cuando se
trata de suelos granulares. Pareciera con ello, que
se pretende incrementar en el cálculo, la capacidad
de carga del fuste, para subsanar la ahora conocida
subestimación a la que conducen las soluciones
analíticas convencionales para el diseño portante
por fuste de pilas con perforación previa y coladas in
situ, en suelos firmes y/o granulares (Rollins et al.,
1997 y 2005; Harraz et al., 2004; Mendoza et al.,
2004; e Ibarra y Mendoza, 2008).
La validez de tal procedimiento, no había sido
avalada hasta ahora mediante mediciones en campo
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Presión lateral de concreto fresco en pilas profundas coladas in situ
de la presión lateral del concreto tomadas durante el
colado en pilas, mucho menos en pilas de gran
profundidad como las que aquí se presentan. De
hecho, en la literatura internacional sólo se
encuentran mediciones de la presión lateral
realizadas en paneles de muros Milan de relativa
poca profundidad (Dibiagio y Roti,1972; Soares
1984; Ng 1992; Lings et al. 1994; ASHTTO 2004) y
con mayor frecuencia se encuentran estudios de la
presión lateral máxima para diseño de cimbras
(Gardner y Ho 1979) de poca altura, por lo que las
mediciones que aquí se presentan, parecen ser
pioneras para la ingeniería de cimentaciones
profundas.
el Periférico Sur en la ruta Centenario-Luis Cabrera.
Uno de los puentes que integran dicha vía rápida es
el puente Punta Santa Fe, que se ubica en el
extremo norte de la Supervía, sobre la avenida
Carlos Lazo casi esquina con la avenida Santa Fe
(Figura 1). Se localiza en la Zona I (zona de Lomas)
según la zonificación geotécnica de las Normas
Técnicas Complementarias para el Diseño y
Construcción de Cimentaciones (NTC-C) del
Reglamento de Construcciones para el Distrito
Federal (GDF, 2004).
1.2 Objetivo y alcances
Se planteó como objetivo responder a la pregunta
¿cómo es la variación con la profundidad de la
presión lateral que ejerce el concreto recién colado,
en perforaciones para pilas, construidas en suelos
granulares?. Se estableció la conveniencia de medir
tales presiones durante el proceso de colado, y
posterior a éste. Para ello se tomó ventaja de la
instrumentación sismo-geotécnica que se diseñó
(Mendoza et al. 2012) para uno de los apoyos de un
puente vehicular que se construyó al poniente de la
ciudad de México, resuelto mediante un grupo de
pilas rematadas por una losa maciza de cimentación.
Las mediciones señaladas se realizaron en dos
pilas coladas in situ, de poco más de 40 m de
profundidad y 1.2 m de diámetro. Se presenta
entonces en este artículo las distribuciones de
presión lateral ejercida por el concreto fresco
durante el colado.
Si bien persiste la duda de que la presión lateral
producida por el concreto fresco guarde relación con
la presión normal que determina la resistencia
friccionante en el fuste, una vez fraguado el
concreto, en esta investigación se ha puesto a
prueba la magnitud de la presión horizontal que
ejerce el concreto fresco durante el colado; esto es,
se pone a prueba en todo caso si la presión lateral
sobre la pared de la perforación es simplemente el
producto del peso volumétrico del concreto fluido y
la profundidad.
Sin ser el objetivo central de este artículo, se
discutirá más adelante la hipótesis que relaciona la
presión horizontal ejercida por el concreto fresco y la
resistencia unitaria del fuste de las pilas con su
concreto ya fraguado.
2 DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO
2.1 Ubicación del sitio de estudio
En el poniente de la ciudad de México, se construye
la Vía Rápida Poetas, conocida también como la
Supervía del Poniente, que en su desarrollo contará
con varios puentes y túneles para unir Santa Fe con
Figura 1. Ubicación del puente Punta Santa Fe
El puente se ubica en una antigua cañada que fue
rellenada con suelos de la zona, producto de la
explotación de antiguas minas, de tal forma que en
sus extremos se encuentran suelos firmes como las
tobas y en la parte central existen rellenos con
espesores variables que van desde pocos metros
hasta 40 m de profundidad. No se detectó el NAF.
2.2 Descripción de la cimentación
El puente Punta Santa Fe está cimentado mediante
19 apoyos resueltos con zapatas que descansan
sobre un grupo de ocho pilas coladas in situ cuya
longitud varía de acuerdo con el espesor de los
rellenos (Figura 2). El apoyo 11 de este puente, se
instrumentó ampliamente como parte de un proyecto
de investigación que encabeza el Instituto de
Ingeniería de la UNAM, donde se busca conocer el
comportamiento estático y dinámico del apoyo. En
otro artículo publicado en esta misma reunión, se da
cuenta de la instrumentación general y de los
primeros resultados medidos (Mendoza et al. 2012).
Las mediciones de la presión lateral que ejerce el
concreto fresco durante el colado se realizaron en
dos pilas del apoyo 11 (pilas 3 y 5), precisamente
donde se encuentra el máximo espesor de rellenos.
El apoyo 11 cuenta con ocho pilas alineadas en dos
hileras, que reciben a una losa rectangular con
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
MENDOZA, M. J. et al.
dimensiones en planta de 6 m por 14 m,
desplantada a 1.2 m de profundidad. Las pilas,
tienen diámetro de 1.2 m y tienen su punta
desplantada a 40.0 m y 43.6 m de profundidad
respecto al nivel del terreno natural.
Figura 2. Planta de zapata apoyo 11 y huella de pilas bajo
zapata.
La perforación de las pilas se llevó a cabo en
seco, mediante barrena auger y bote limpiador;
debido a los caídos que constantemente se
presentaron durante la perforación, se hicieron
avances hasta donde la perforación presentaba
caídos incipientes, para después verter un mortero
fluido de fraguado rápido, para finalmente reperforar
y continuar la perforación con este proceso que duró
varias semanas.
Dada la longitud de las pilas, el armado se
dispuso en tres tramos de aproximadamente la
misma longitud cada uno, que fueron unidos entre sí
conforme eran introducidos en la perforación.
2.3 Instrumentación
Sobre los tramos de armados tendidos en campo, se
colocaron cuatro celdas de presión de cuerda
vibrante en cada pila, cubriendo desde una
profundidad cercana a la cabeza, hasta una
profundidad cercana a la punta. En la Figura 3 se
muestra una vista de la celda de presión cercana a
la punta ya colocada en un tramo de armado,
cuando éste se encontraba tendido en el piso antes
de su izaje. Las celdas de presión se colocaron por
el interior de los armados, sostenidas con cintillos de
plástico. Los cables se condujeron por el exterior del
armado hasta la superficie, a través de tubería
flexible. Conforme se introdujeron los tramos de
armado en las perforaciones de las pilas, se iba
también guiando la tubería flexible con los cables de
los sensores, a la vez que la grúa bajaba el armado.
Las celdas de presión son elementos circulares de
forma lenticular, con dos caras flexibles de acero
inoxidable, mismas que están soldadas por su
periferia. En el interior de las celdas existe un fluido
muy estable del tipo líquido para frenos totalmente
3
desaerado, que guarda continuidad con un
transductor de cuerda vibrante, a través de un tubo
delgado, también de acero inoxidable. Cuando las
caras flexibles de la celda se deforman por la
presión externa, el fluido genera presión, misma que
se transfiere a la recámara húmeda del transductor.
Tal presión deforma el diafragma que separa esa
porción húmeda de la seca y en la que se encuentra
el dispositivo y la electrónica de una cuerda tensa y
vibrante. Previa calibración, la base de la medición
de presión se encuentra en la relación que se
establece entre presión y la frecuencia de vibración
de esa cuerda.
Se tomó una lectura cero de referencia de todas
las celdas en cada actividad, es decir, en gabinete;
posteriormente, cuando ya estaban sujetadas al
armado, cuando éste ya se había introducido a la
perforación, durante todo el proceso de colado, y
posterior a éste. Los registros de las celdas se
tomaron en forma manual, mediante una consola
registradora portátil.
Figura 3. Vista de celda de presión cercana a la punta. Al
fondo se observa la punta de la pila.
3 PRESIÓN LATERAL DEL CONCRETO
3.1 Descripción del colado
El colado de las pilas se realizó mediante tubería
tremie de hasta 40 m de longitud, misma que se fue
cortando conforme la columna de concreto fue
ascendiendo dentro de la perforación. El colado de
3
la pila 3 requirió de ocho ollas de 7 m de volumen
nominal, más una última olla con un volumen
pequeño de ajuste para alcanzar la altura de colado
de proyecto.
3
El colado de la pila 5 requirió seis ollas de 7 m
más una de ajuste. Se midieron los revenimientos en
cada olla; sólo cuando se encontraron revenimientos
menores a 15 cm, se añadió un fluidificante. En las
Tablas 1 y 2 se muestran los tiempos de inicio y
término de colado de cada olla, el revenimiento
antes de agregar fluidificante (en su caso), el tiempo
acumulado de colado y el volumen nominal de
concreto acumulado. Como puede observarse en las
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Presión lateral de concreto fresco en pilas profundas coladas in situ
Tabla 1. Tiempos y volumen de colado para pila 3
Olla Hora Hora Tiempo
Revenimiento
No.
inicio
término
hr:min
cm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
14:09
14:17
14:38
15:07
15:26
15:37
15:50
16:01
17:08
14:12
14:19
14:41
15:10
15:29
15:40
15:53
16:05
17:10
00:03
00:10
00:32
01:01
01:20
01:31
01:44
01:56
03:01
12
10
15
17
17
10
11
14
14
Fluidificante
Volumen m3
Si
Si
No
No
No
Si
Si
Si
Si
7
14
21
28
35
42
49
56
Ajuste
Tabla 2. Tiempos y volumen de colado para pila 5
Olla Hora Hora Tiempo
Revenimiento
No.
inicio
término
Minutos
cm
1
2
3
4
5
6
7
18:35
18:44
18:53
19:08
19:16
19:32
20:59
18:38
18:47
18:57
19:12
19:19
19:34
21:03
00:03
00:12
00:22
00:37
00:44
00:59
02:28
15
10
12
13
14
12
10
Fluidificante
Volumen m3
No
Si
Si
Si
Si
Si
Si
7
14
21
28
35
42
Ajuste
0
5
m
,
o
t 10
rec
n 15
o
c 20
e
d
25
a d
a 30
d
i
d 35
n
u
f 40
ro
P
Tabla 3 Profundidad de las celdas de presión. Pilas 3 y 5.
Celda
No.
Pila 3
Nombre
celda
Prof.
m
Celda
No.
Pila 5
Nombre
celda
Prof.
m
1
2
3
4
CPVW-­‐5
CPVW-­‐6
CPVW-­‐7
CPVW-­‐8
3.70
10.60
25.00
41.25
1
2
3
4
CPVW-­‐1
CPVW-­‐2
CPVW-­‐3
CPVW-­‐4
5.70
12.57
20.10
36.60
Se tomaron registros de las celdas antes del
vertido, durante el vertido y al final del vertido de
cada olla, mismos que se graficaron contra el tiempo
de colado. En la reducción de los registros se hizo la
compensación por temperatura que se consigna en
las calibraciones del fabricante de las celdas de
presión, ya que la temperatura es un factor
importante durante el fraguado del concreto.
Las gráficas de las presiones laterales ejercidas
por el concreto durante el colado para las pilas 3 y 5,
graficadas contra el tiempo, se presentan en las
Figuras 5 y 6, respectivamente. Como referencia, se
ha colocado la curva que indica el incremento de la
presión hidrostática teórica del concreto fresco a la
profundidad de la celda cercana a la punta,
conforme fue transcurriendo el proceso de colado.
Para ello, se consideró un peso volumétrico de
3
21.58 kN/m , determinado experimentalmente.
1000
900
800
CPVW-­‐8 a 41.25m
700
Presión, en KPa
tablas, el colado de la pila 3 tuvo una duración
3
cercana a las dos horas para 56 m de concreto
(previo al ajuste), mientras que el colado de la pila 5
3
tuvo una duración de una hora para 42 m de
concreto (también previo al ajuste).
Las gráficas de tiempo acumulado del colado
contra la altura medida de la columna del concreto
se muestran en las gráficas de la Figura 4. La altura
de columna de concreto se obtuvo después del
vertido de cada olla, mediante una sonda graduada
que se usó tomando como referencia el brocal de la
perforación, ubicado prácticamente al nivel del
terreno circundante.
CPVW-­‐7 a 25.00m
600
CPVW-­‐6 a 10.60m
500
CPVW-­‐5 a 3.70m
400
Presión teórica a 41.25m
300
200
100
0
Pila 3
Tiempo de colado, en horas
Figura 5. Presiones laterales contra el tiempo. Pila 3.
Pila 5
Término del colado, antes de olla de ajuste
45
Tiempo de colado, hr : min
Figura 4. Profundidad al nivel superior de colado vs
tiempo.
3.2 Registros de presiones laterales
Las profundidades de instalación finales de cada
una de las cuatro celdas de presión de cuerda
vibrante en las pilas 3 y 5, con respecto a la
superficie del terreno, se muestran en la Tabla 3.
Presión, en KPa
4
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
CPVW-­‐4 a 36.60m
CPVW-­‐3 a 20.10m
CPVW-­‐2 a 12.57m
CPVW-­‐1 a 5.70m
Presión teórica a 36.60m
Tiempo de colado, en horas
Figura 6. Presiones laterales contra el tiempo. Pila 5.
De las gráficas anteriores, se observa lo siguiente:
− Las celdas de presión registran de inmediato el
paso de la columna de concreto tan pronto como
son embebidas en ésta.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
5
MENDOZA, M. J. et al.
Lo anterior da cuenta de que el proceso de
fraguado juega un rol muy importante en el
comportamiento de la presión lateral del concreto
fresco; en efecto, pareciera que sólo es posible
considerar al concreto fresco como un fluido durante
un lapso muy breve, tan breve como el tiempo de
vertido de una olla (3 min aproximadamente), de tal
suerte que para el siguiente vertido, la presión lateral
en una profundidad ya alcanzada por la columna de
concreto ya no es acumulativa, y no sigue una
relación lineal e incluso puede mostrar una relación
decreciente con la profundidad.
El efecto descrito en el párrafo anterior es más
claro al observar las isócronas de la presión lateral
en toda la profundidad de la pila que se muestran en
las gráficas de las Figuras 7 y 8, para las pilas 3 y 5,
respectivamente. En estas gráficas, nuevamente se
ha puesto como referencia la presión hidrostática
teórica del concreto fresco conforme fue avanzando
el colado.
Para cada isócrona, se observa que la presión
lateral sigue una distribución hidrostática del
concreto fluido sólo en la parte superior,
correspondiente a una columna de concreto con
altura entre 5 m y 10 m, para luego mostrar una tasa
de incremento mucho más discreta e incluso
decreciente a profundidades mayores.
muestran una tasa de crecimiento mucho menor a la
hidrostática e incluso exhiben un valor decreciente,
como se observa en los registros de la pila 3.
Presión lateral en kPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
5
10
Profundidad, en m
− La presión lateral del concreto registrada en cada
celda de presión, alcanza un valor máximo que
resulta cercano o igual a la presión hidrostática
teórica
de
la
columna
de
concreto
correspondiente al volumen de tan sólo una olla
de concreto, nunca mayor.
− La presión lateral máxima en cada profundidad
decrece rápidamente con el tiempo.
− Las celdas más profundas empiezan a ser menos
sensibles a los colados de las ollas superiores,
conforme transcurre el tiempo.
− En el mismo sentido del punto anterior, las celdas
de presión inferiores muestran incrementos de
presión cada vez menores respecto al teórico
debido a los colados de las ollas superiores.
Incluso registran un descenso sistemático de la
presión en las celdas más profundas conforme
transcurre el tiempo.
15
20
25
30
35
40
Figura 7. Isócronas de presiones lateral. Pila 3.
0
100
200
Presión lateral, en kPa
300
400
500
600
700
800
0
5
10
15
m
n
e, 20
d
a
id 25
d
n
u
f
o
r 30
P
35
40
45
Figura 8. Isócronas de presiones lateral. Pila 5.
3.3 Envolvente de presiones máximas
Tomando en cuenta las presiones máximas en cada
profundidad registradas por las diferentes celdas, se
construyó la envolvente de las presiones máximas
que ejerció el concreto fresco durante el colado para
las pilas 3 y 5, que se muestran en la Figura 9,
nuevamente con la referencia de la presión
hidrostática teórica del concreto fluido.
Es claro de esta gráfica que la presión máxima
sigue un comportamiento hidrostático sólo hasta una
profundidad muy somera, que resulta de 8 a 10 m
para las pilas 5 y 3; luego las presiones máximas
4 DISCUSIÓN
4.1 Sobre el fenómeno medido
Los resultados descritos anteriormente basados en
las mediciones realizadas, dan cuenta de que la
presión lateral del concreto fluido con una
distribución de tipo hidrostática es válida únicamente
para los registros de la presión máxima a
profundidades relativamente someras, que no
exceden los diez metros. Además, que esa presión
lateral máxima decrece rápidamente con el tiempo.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
6
Presión lateral de concreto fresco en pilas profundas coladas in situ
Presión horizontal, en kPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0
5
Profundidad, en m
10
15
Envolvente Pila 3
Envolvente Pila 5
Presión teórica
20
25
30
35
40
evaluar factores diversos que tienen influencia en el
desarrollo de la presión lateral máxima, entre otros,
el diámetro de la pila, la velocidad de la colocación
del concreto, su consistencia y su revenimiento.
Debe notarse que se cuenta con antecedentes en
la literatura técnica en los que llegaron a resultados
similares a los aquí expuestos, aunque no
precisamente con mediciones en perforaciones para
pilas, sino en zanjas para tabletas o muros Milan. En
efecto, Lings y coautores (1994) encontraron que
cuando en una perforación se cuela concreto con
una relación alta agua-cemento, w/c, que redunda
en un revenimiento alto, la presión del concreto
sigue una variación de tipo hidrostática sólo hasta
profundidades someras dentro de la perforación,
pero luego la tasa de crecimiento se reduce
conforme aumenta la profundidad; Clayton y
Milititsky (1983) han reportado resultados similares.
4.2 Sobre la evolución de la fricción en el fuste
45
Figura 9. Diagrama de envolventes máximas de presión
lateral medida.
Así pues, las mediciones experimentales
realizadas con extremo cuidado, no soportan la
hipótesis de que el esfuerzo lateral que ejerce el
concreto fresco mantiene una distribución de tipo
hidrostática en toda la profundidad de la pila; tal
suposición pareciera sólo aceptable tratándose de
pilas de menos de 10 m de longitud.
Los resultados antes descritos apuntan a que el
concreto fresco no se comporta totalmente como un
fluido, y que exhibe capacidad para transmitir
esfuerzos cortantes. Así, para pilas con columnas de
concreto de más de diez metros, los esfuerzos
cortantes con dirección hacia arriba que se
desarrollan entre la mezcla y las paredes de la
perforación, provocan disminución de los esfuerzos
verticales y horizontales en la mezcla a partir de esa
profundidad crítica. La generación de esos esfuerzos
cortantes en la pared puede visualizarse también
como un fenómeno de arqueo, en el que la mezcla
de concreto hacia el centro de la perforación tiene
una tendencia a asentarse un poco más que en la
periferia, lo que determina que se pierda la condición
hidrostática, al transferir parte de su peso propio a
las paredes.
Aunque es de esperarse que las condiciones no
cambien mayormente, cabe señalar que con rigor
persiste aún la incógnita sobre cuál es la presión
lateral en el contacto entre el fuste de la pila y el
terreno circundante durante el colado, toda vez que
las mediciones se realizaron en el seno del fluido a 7
cm del contacto concreto-suelo. Desde luego, más
estudios se deberán hacer para registrar la presión
justo en la interfaz concreto-suelo, y no sólo durante
el colado. En efecto, durante el vaciado del concreto,
cabe considerar la ejecución de otros estudios para
Por otra parte, la presión en la perforación
inmediatamente después del colado del concreto
fresco en una zanja, se sabe que sufre una
redistribución durante el proceso de fraguado, lo que
redunda en una disminución del esfuerzo lateral.
Lings y coautores reportan una disminución del 25%
de la presión lateral mientras que Chang y Zhu
(2004) midieron reducciones del 30% después del
fraguado. Debe señalarse que estas mediciones se
realizaron en paneles o muros colados in situ y
pueden diferir de un colado en una perforación
circular. Adicionalmente, las contracciones de la pila
con el fraguado y las relajaciones de esfuerzos
alrededor de la pila no parecen soportar la
suposición de que los esfuerzos normales sobre el
concreto ya fraguado, conserven los esfuerzos del
concreto fluido. En todo caso, el proceso merece
atención especial y debe investigarse, para lo que la
medición directa de la presión normal sobre el fuste
a
diferentes
profundidades,
inmediatamente
después del colado y ya fraguado, es clave; no
obstante, cabe distinguir que tales tareas se antojan
complicadas por el proceso constructivo.
4.3 Método β para cuantificar el aporte del fuste
Los métodos tradicionales como el propuesto por
Kulhawy (1991) para calcular la resistencia cortante
del fuste fs, en términos de esfuerzos efectivos,
aplican la expresión siguiente:
fs=K σv tan δ
(2)
donde σv es el esfuerzo vertical efectivo; y δ es
función del ángulo de fricción efectivo, φ. La razón
δ/φ depende de la técnica de construcción siendo
igual a 1 para técnicas cuidadosas, como
construcción en seco y empleo de tubería tremie,
por ejemplo. La mayor dificultad en la aplicación del
método estriba en la adopción del valor del
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Profundidad,
z
10
MENDOZA, M. J. et al.
7
15
Beta
0
5
10
15
0
100
200
300
Resistencia cortante fuste, kPa
Figura 10. Ejemplo de la variación de la resistencia
cortante fs con la profundidad.
5 CONCLUSIONES
2
fs (t/m ) = β σ’v ≤ 19.4;
con 0.25 ≤ β ≤ 1.2, en donde:
0.5
β =1.5 - 0.245 z (z en m)
manera muy significativa la capacidad de carga por
fuste, cuando se analizan pilas embebidas en
0
medios granulares
con1 porcentaje 2importante de
β ( z)
gravas.
Profundidad, m
coeficiente K que relaciona al esfuerzo lateral con el
vertical, y estrictamente del producto K tan δ , o
bien K tan φ. En ocasiones se adopta para K el valor
del coeficiente de tierras en reposo, Ko determinado
mediante la ecuación de Jaky (1944) o la de
Kulhawy y Mayne (1990) que va de 0.7Ko a Ko,
correspondiendo el valor mayor a una buena técnica
de construcción. Se reconoce también que la
determinación del parámetro fundamental, el ángulo
de fricción efectivo φ, es difícil en suelos granulares,
especialmente en aquéllos con gravas.
La dificultad de establecer los valores de K y de
φ, ha llevado a proponer un enfoque en el que el
producto K tan φ, se reconoce globalmente con el
término β. En general, la determinación del aporte
por fricción en pilas coladas en suelos friccionantes
sigue el enfoque vertido en la expresión 2, en
términos de esfuerzos efectivos. Por la dificultad
antes señalada, se advierte un apego a
procedimientos empíricos, empleando la prueba de
penetración estándar, y simplemente la profundidad,
como lo reconoce la Norma AASHTO.
Reese y O´Neill (1988) sugieren para valores del
número de golpes N60>15 (corregidos para una
energía del 60%) la siguiente expresión:
(3)
La variación decreciente del parámetro β con la
profundidad que establece la ecuación (3), es
resultado del análisis de bases amplias de datos de
pruebas de cargas en pilas, y no distingue la
distribución granulométrica del medio, pero
usualmente se acepta para suelos arenosos. Si
asumimos como ejemplo, un valor del peso
3
volumétrico γ=1.6 t/m , la variación de la resistencia
cortante del fuste fs con la profundidad, sería como
la mostrada en la Figura 10. Como se distingue, tal
variación, reconocida en la Norma AASHTO, es no
lineal y dista francamente de la variación lineal
creciente con la profundidad que asume la ecuación
(1).
Las observaciones anteriores refuerzan la idea
de que otros aspectos fundamentales como el
comportamiento dilatante en suelos granulares
especialmente con aquellos donde dominan las
gravas, así como la configuración final de la pila
después del colado, son los principales aportadores
del incremento de fricción que usualmente se reporta
en pruebas de carga en pilas coladas in situ y que
los métodos tradicionales subestiman. En efecto, se
ha demostrado en casos bien documentados
(Rollins et al. 1997, 2005; Sellenout et. al 2004;
Harraz et al. 2004) que los métodos de diseño
tradicionales funcionan razonablemente bien cuando
se trata de suelos arcillosos o arenas limpias, pero
resultan muy conservadores ya que subestiman de
Con base en las mediciones pioneras descritas en
este artículo de la presión lateral que ejerce el
concreto fresco en pilas coladas in situ, mediante
celdas de presión instaladas en los armados de dos
pilas de 40 m ó más de profundidad, se establecen
los siguientes comentarios y conclusiones:
− Los registros indican que la presión lateral del
concreto fluido sigue una distribución hidrostática
únicamente para la envolvente de la presión
máxima, y sólo a profundidades relativamente
someras de no más de 10 m.
− Para profundidades mayores a los diez metros, la
presión lateral en el concreto aumenta, pero con
una tasa de variación apreciablemente menor a la
que establece la de tipo hidróstática; incluso para
una de las pilas, se distingue que cuando la
columna de concreto es mayor a los 25 m, la
presión horizontal que ejerce, disminuye.
− Persiste la duda acerca de si el esfuerzo normal
efectivo
que
reconocemos
determina
la
resistencia friccionante en el fuste de una pila con
perforación previa, guarda relación con la presión
horizontal que ejerce el concreto durante su
colado; lo que sí se ha comprobado
experimentalmente en esta investigación, que si
tal relación existe, la variación de ésta con la
profundidad, no es lineal de tipo hidrostática.
− Con el enfoque en comento, no es posible
justificar la conocida subestimación a la que
conducen
las
soluciones
analíticas
convencionales para el cálculo de la capacidad de
carga por fricción de pilas coladas in situ en
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
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Presión lateral de concreto fresco en pilas profundas coladas in situ
suelos firmes y/o granulares; su justificación debe
buscarse en otras fuentes.
− El procedimiento de cálculo puesto a prueba
podría ser válido para pilas cortas de no más de
10 m de profundidad.
− Se deberán llevar a cabo más estudios para
evaluar si la consideración de la presión lateral
efectiva debido al concreto fresco, que sigue la
configuración de envolventes como las mostradas
en la Figura 9, resultan adecuadas para evaluar la
capacidad portante por fricción de pilas en suelos
firmes y/o granulares.
− La medición de las presiones horizontales en el
concreto fresco dentro de perforaciones para pilas
de cimentación que se ha expuesto aquí, es un
ejemplo del uso de instrumentación geotécnica
acorde a lo recomendado por Peck (1984) al
establecer que esta actividad debe orientarse y
avocarse a responder a preguntas específicas
acerca de las variables explicativas de algún
fenómeno geotécnico y de sus efectos. De hecho,
Peck (1969 y 1984) distingue a este enfoque
como la regla simple y clave para una
instrumentación exitosa, además desde luego de
una planeación y ejecución cuidadosas.
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