6 PILOTES EN SUELOS COHESIVOS

IMPLEMENTACIÓN INFORMÁTICA PARA EL CÁLCULO DE PILOTES DE HORMIGÓN “IN SITU” SEGÚN EL
CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN
6
PILOTES EN SUELOS COHESIVOS
El contenido de este apartado se va a basar en el desarrollo que el Código
Técnico de la Edificación, (CTE), contempla para este tipo de cimentaciones, en
suelos arcillosos, finos.
Se va a prestar especial atención al cálculo frente a la carga de hundimiento en
medios arcillosos, finos, por los distintos procedimientos que existen; teniendo
especial atención a las formas y procedimientos de cálculo más habituales.
6.1
CARGA DE HUNDIMIENTO
También se le denomina como Estado Límite Último de Hundimiento. Se
corresponde con la carga que produce la rotura, la plastificación del terreno, es
decir, la carga que produce grandes deformaciones.
6.1.1
FORMULACIÓN BÁSICA
La resistencia característica al hundimiento de un pilote aislado se considera
definida por una doble componente, resistencia por punta y resistencia por fuste.
R
R
Rf
Donde:
Rck Resistencia frente a la carga vertical que produce el hundimiento.
Rpk Contribución a la resistencia por la punta.
Rfk Contribución a la resistencia por el fuste.
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Figura 31 Esquema del hundimiento de un pilote aislado.
Para estimar ambas componentes de la resistencia se supondrá que son
proporcionales a las áreas de contacto respectivas de acuerdo con las expresiones:
R
q ·A
L
Rf
τ · p · dz
Donde:
qp
Resistencia unitaria por la punta.
Ap
Área de la punta.
τf
Resistencia unitaria por el fuste.
L
Longitud del pilote dentro del terreno.
pf
Perímetro de la sección transversal del pilote.
z
Profundidad contada desde la superficie del terreno.
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CONSIDERACIONES SOBRE LA RESISTENCIA POR PUNTA
El área de la punta a utilizar en el cálculo será igual al área de la sección
transversal del pilote al nivel de la punta.
En casos de terreno heterogéneo, se suele suponer que la carga de hundimiento por
la punta está controlada por un terreno con las características medias de la zona
comprendida entre tres diámetros bajo la punta (zona activa inferior) y seis
diámetros sobre la punta (zona pasiva superior).
En las situaciones en las que bajo la punta existan zonas arcillosas de menor
resistencia, que reduzcan la resistencia unitaria por punta "qp", dicho valor vendrá
limitado por la expresión:
q
6· 1
H
D
·c
Donde:
H
Distancia de la punta del pilote al estrato del suelo cohesivo blando inferior.
D
Diámetro real o equivalente (igual área) del pilote.
cu
Resistencia al corte sin drenaje del suelo cohesivo blando.
Si la separación entre pilotes es inferior a la distancia de la punta del pilote al nivel
del suelo cohesivo blando inferior deberá considerarse el efecto combinado del
grupo de pilotes para estimar la carga de hundimiento y el posible asiento de la
cimentación.
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CONSIDERACIONES SOBRE LA RESISTENCIA POR FUSTE
Cuando la resistencia unitaria por fuste varíe con la profundidad, para el cálculo
de la resistencia total por fuste se deberá realizar una integración a lo largo del
pilote.
Por contra, en los casos en que la resistencia total por fuste sea constante por
tramos y también lo sea la longitud del contorno del pilote en cualquier sección
horizontal, la resistencia por fuste se considera como un sumatorio con un término
por cada tramo, de la siguiente manera:
Rf
τ ·A
Af
Área del contacto entre el fuste del pilote y el terreno en cada tramo.
τf
Resistencia unitaria por fuste en cada tramo.
CONSIDERACIONES DEL EFECTO GRUPO
De forma general, para el cálculo de los pilotes en arcillas, no se considerará el
efecto grupo para una separación entre ejes de pilotes igual o mayor a 3 diámetros.
A partir de grupos de cuatro pilotes se deberá considerar que la proximidad entre los
mismos se traduce en una interacción entre ellos, de tal forma que si el grupo tiene n
pilotes, y la carga de hundimiento del pilote aislado es Rck, la carga que produce el
hundimiento del grupo, Rckg, en general, no suele ser igual a nxRck, al tener que
aplicar a este valor, nxRck, un coeficiente de eficiencia, η, que se define como el
cociente:
η
C
·C
R
·R
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Según el CTE en suelos arcillosos, el coeficiente de eficiencia será de 1, para
separaciones entre ejes iguales o superiores a 3·D. Para separaciones de 1 D el
coeficiente de eficiencia será 0’7. Para separaciones entre 1 D y 3 D se interpolará
linealmente entre 0’7 y 1.
6.2
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE HUNDIMIENTO
MEDIANTE SOLUCIONES ANALÍTICAS
Estos métodos están basados en la teoría de la plasticidad y están asociados a
un criterio de rotura lineal, que normalmente es el conocido como de “MohrCoulomb”. La carga de hundimiento de pilotes verticales en suelos limosos y/o
arcillosos, evaluada mediante fórmulas estáticas, deberá calcularse bajo dos
situaciones que corresponden al hundimiento sin drenaje, o a corto plazo, y el
hundimiento con drenaje o a largo plazo, respectivamente.
La resistencia por fuste en arcillas (sobre todo rígidas) es un aspecto muy
controvertido en el dominio de la Ingeniería Geotécnica. Por ello, es recomendable
efectuar el diseño a partir de ensayos presiométricos, pues proporcionan de manera
objetiva resultados más satisfactorios por optimistas.
6.2.1
A CORTO PLAZO (SIN DRENAJE)
La resistencia unitaria de hundimiento por punta a corto plazo será:
q
N ·c
Donde:
cu Resistencia al corte sin drenaje del suelo limoso y/o arcilloso, teniendo en cuenta
la presión de confinamiento al nivel de la punta (entorno comprendido entre dos
diámetros por encima y dos diámetros por debajo de ella) obtenida en célula triaxial.
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Np Depende del empotramiento del pilote. El CTE recomienda un valor igual a 9.
La resistencia unitaria de hundimiento por fuste a corto plazo será:
τ
100 · c
100 c
τ y c en kPa
Esta expresión es conservadora para calores de cu superiores a los 200 kPa.
Sin embargo, el CTE posibilita obtener experimentalmente el valor de la resistencia a
la compresión simple a partir de ensayos “con confinamiento”, de una notable
importancia a los efectos prácticos, pues los valores que se obtienen son
sensiblemente mayores. Véase en este sentido el Anejo I, en el que se analizan
distintas posibilidades y alternativas respecto de este tema.
6.2.2
A LARGO PLAZO (CON DRENAJE)
Para determinar la resistencia de hundimiento a largo plazo, se utilizará el ángulo
de rozamiento efectivo deducido de los ensayos de laboratorio específicos. Para ello
se utilizarán las expresiones que corresponden a suelos granulares.
La resistencia unitaria de hundimiento por punta de pilotes en suelos cohesivos a
largo plazo se considera que es:
q
25·σ
·N
20MPa
Donde:
σ'vp = Presión vertical efectiva al nivel de la punta antes de instalar el pilote
Nq = Factor de capacidad de carga definido por la expresión
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1
1
N
sin
e
sin
·
Donde:
φ es el ángulo de rozamiento interno del suelo a largo plazo, es decir, por ejemplo
deducido de ensayos triaxiales consolidados y con drenaje.
La resistencia por fuste en suelos cohesivos se estima con la expresión siguiente:
τ
c
σ · k · f · tan
100KPa
Donde:
σ'v
Presión vertical efectiva al nivel considerado. Ha de suponerse que a partir de
los 20 diámetros no aumenta más.
Kf
Coeficiente de empuje horizontal;
f
Factor de reducción del rozamiento del fuste
φ
Ángulo de rozamiento interno del suelo en contacto con el pilote;
c
Cohesión al nivel considerado (para CTE c = 0)
Los valores de Kf se pueden seleccionar de la tabla 13 adjunta:
HINCADOS PERFORADOS HÍBRIDOS
Kf = 1
Kf = 0,75
Kf = 0,75 ≥ 1
Tabla 13. Valores de Kf..
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Los valores de f se pueden seleccionar de la tabla 14 adjunta:
MADERA
f =1
HORMIGÓN
IN SITU
f =1
ACERO
f = 0,8
Tabla 14. Valores de f.
Según el CTE la resistencia unitaria por fuste a largo plazo τf no superará salvo
justificación al valor límite de 0’1 Mpa.
En general, suele ser una situación más crítica la que se deduce de consideraciones
a corto plazo.
6.3
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE HUNDIMIENTO
MEDIANTE ENSAYOS DE PENETRACIÓN “IN SITU”
6.3.1
MÉTODOS BASADOS EN EL SPT Y EN DPH O DPSH
En teoría, el CTE no permite utilizar los resultados de los ensayos
penetrométricos dinámicos. Admite una salvedad, sólo a efectos orientativos,
cuando la Resistencia a Compresión Simple del material arcillosos es superior a 0’1
MPa, a través de correlaciones entre el SPT y el CPT (penetrómetro estático)
suficientemente justificadas.
Si en un suelo se dispone de resultados de ensayos penetrométricos dinámicos
continuos, se pueden traducir los resultados correspondientes a índices SPT, y
utilizar después el método basado en el SPT descrito en párrafos anteriores.
Dada la posible variación en las correlaciones existentes entre unos y otros ensayos
de penetración, las extrapolaciones deben justificarse con la experiencia local o
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disponer, en cada obra concreta, de ensayos de contraste que refuercen esta
correlación.
6.3.2
MÉTODO BASADO EN ENSAYOS PENETROMÉTRICOS ESTÁTICOS
Con los penetrómetros estáticos se puede medir, de manera continua, la
resistencia unitaria en la punta del cono "qc" y también en su fuste "τf", en casi todos
los tipos de suelo, dependiendo de la potencia del equipo de ensayo.
RESISTENCIA UNITARIA POR LA PUNTA (QP)
El valor de "qc" a utilizar suele ser la media del valor medio de qc correspondiente
a la zona activa inferior y del valor medio de qc correspondiente a la zona pasiva
superior (a este respecto los diámetros a considerar para identificar ambas zonas
dependen de unos anteriores a otros aunque el CTE, la ROM y la GCOC asignan
magnitudes de 6 y 3 diámetros, respectivamente).
Según el CTE la carga unitaria de hundimiento por punta del pilote, se supone igual
al 80% del valor de qc así determinado. Esto es:
qp = 0’4 qc (Para pilotes in situ; y 0’5 para pilotes hincados)
La Guía de Carreteras lo hace variable entre el 60% y el 80% según el diámetro del
pilotaje, siendo el primer valor para diámetros menores a 0,5 m y el segundo valor
para diámetros mayores a 1 m. A los efectos prácticos el FM-CGS fija este valor en
el 100% de qc.
Para pilotes de diámetro mayor que 0’5 m, a la hora de evaluar qp en el entorno de
la punta, se debe utilizar una estimación conservadora de la media, incluso adoptar
el valor mínimo medido en esa zona.
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RESISTENCIA UNITARIA POR EL FUSTE (ΤF)
Se puede suponer que τf es el 75% del valor medido en el manguito.
Si en el ensayo penetrométrico no se ha medido la resistencia unitaria por fuste, se
deberá suponer que tal valor es igual al 2% de la resistencia por punta a ese mismo
nivel, si el suelo es cohesivo. Otros autores posibilitan valores comprendidos entre el
1% y el 4%.
El CTE limita, la resistencia por fuste obtenida de esta manera indirecta a 0’1 MPa.
Otros autores lo limitan a 0’08 Mpa en suelos cohesivos. La GCOC lo limita a 0’07
MPa en suelos cohesivos, cuando se obtiene por este procedimiento.
Para pilotes excavados, la aplicación del método anterior exige una correcta
ejecución del pilote, incluyendo la limpieza y, en su caso, el tratamiento de la punta.
A modo de síntesis, en la Tabla que se adjunta al final de este texto (Anejo II), se
muestran algunos de los procedimientos de cálculo que existen en la literatura
técnica a este respecto, a modo de referencias complementarias. Se pueden
observar y analizar las discrepancias y las similitudes entre unos autores y otros.
Para su uso, no obstante, al igual que en otros casos, es recomendable acudir a los
textos originales.
6.3.3
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS PRESIOMÉTRICOS
Los presiómetros o dilatómetros miden la presión horizontal necesaria en la pared
de un sondeo para plastificar el terreno. Esa presión límite "pl" se ha relacionado, en
cualquier tipo de terreno, con la carga unitaria de hundimiento por punta de un pilote
"qp". De manera aproximada, se deberá suponer:
q
k· p
k ·p
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po
Presión efectiva vertical al nivel de cimentación en el entorno del apoyo (antes
de cargar).
Ko
Coeficiente de empuje al reposo. En general Ko = 0’5.
K
Coeficiente de proporcionalidad que depende de la geometría del cimiento y
del tipo de terreno.
El valor de K puede tomarse igual a 1’5 en suelos cohesivos.
El valor de "pl" a utilizar en la expresión anterior deberá ser la media de los valores
medios correspondientes a las zonas activa y pasiva en el entorno de la punta.
Como resistencia unitaria por fuste adopta el siguiente valor según el CTE:
τ
1
· p
10
k ·p
En la GCOC para suelos cohesivos admite 1,5/40.
El valor de τf obtenido por este procedimiento deberá limitarse, al siguiente valor:
τf (máximo) = 100 KPa según CTE y ROM;
τf (máximo) = 70 KPa según GCOC
6.3.4
FÓRMULAS DINÁMICAS DE HINCA
De la misma manera que en medios granulares, siempre que se trate de pilotes
prefabricados e hinca-dos, se puede y se deben efectuar prognosis del
comportamiento del suelo en función de los datos de hinca que se obtienen durante
el proceso de hinca. La mayor diferencia es consecuencia del efecto del tiempo en la
resistencia por hinca. En situaciones comprometidas se debe esperar un tiempo, a la
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profundidad estimada como definitiva, y volver a “rehincar” el pilote para acotar
“numéricamente” el efecto de la evolución de la resistencia hasta su estabilización
final.
Téngase en cuenta que el análisis dinámico de la transmisión de la onda de impacto
que se produce durante la hinca por golpes, es uno de los procedimientos que se
consideran más rigurosos y “acertados” en el dominio de la Ingeniería Geotécnica.
Sobre todo si se contrasta con ensayos in situ de resistencia del pilote.
6.3.5
EFECTOS DEL TIEMPO
En arcillas blandas Bjerrum comprobó que si el pilotaje estaba diseñado
adecuadamente, con un coeficiente de seguridad aceptable, el hecho de que las
cargas actúen durante un tiempo elevado se traduce en una pseudoconsolidación de
las arcillas, reducida pero efectiva. Por lo tanto, ello quiere decir que se produce un
aumento del coeficiente de seguridad con el paso del tiempo.
Sin embargo, de la misma manera comprobó que en arcillas muy blandas, en este
caso fue en la ciudad de México y en la ciudad de Gotemburgo, si la carga se aplica
de manera muy reducida, en incrementos muy suaves, la reducción en la resistencia
por el fuste puede llegar a ser incluso del 50% del valor original, en casos extremos.
En el caso de arcillas rígidas, en el caso del pilotes hincados, sí se han comprobado
pequeñas reducciones en el tiempo, probablemente como consecuencia, entre otros
factores de la migración del agua a través de las fisuras que se provocan por efecto
de la hinca de los pilotes, y también del comportamiento dilatante positivo de las
arcillas rígidas y sus consecuencias en términos de los incrementos de las presiones
intersticiales que se generan y su posterior disipación.
No obstante, dado que la reducción no supera en ningún caso al 25%, se puede
considerar que este efecto es despreciable frente al grado de incertidumbre general
que existe respecto al diseño de pilotes.
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6.4
CÁLCULO DE LA RESISTENCIA AL ARRANQUE
Si bien la forma más habitual de trabajo de los pilotes es a compresión, en
aquellos casos en los que trabajen a tracción, la resistencia al arranque se calcula
con los mismos procedimientos que para la determinación de la resistencia por fuste
en la carga de hundimiento.
Se tiene en cuenta que la resistencia por fuste en condiciones de arranque es
inferior a la que se obtiene en condiciones de compresión por lo que la resistencia a
tracción se considera (CTE, GCOC) como un porcentaje de la resistencia por fuste:
T
,
0 7 · Rf
Donde:
Ttracción, k
Rfk
Resistencia al arranque en condiciones a tracción.
Resistencia por fuste a compresión.
La ROM 0’5 es más exigente pues limita la resistencia al 50% del valor de la
resistencia a compresión. Otros autores lo fijan en el 75%.
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