Capacidad de Carga en Pilotes

INTRODUCCIÓN Para que una estructura se comporte de manera satisfactoria a nuestros requerimientos, está debe poseer una cimentación adecuada en cuanto, el sistema de pilotaje a base de pilotes, es adecuado en suelos donde se producen asientos imprevistos y que el suelo resistente esté a cierta profundidad, este, es un tipo de cimentación profunda de tipo puntual. La versatilidad de este sistema, permite la construcción de proyectos, edificaciones y demás obras civiles en terrenos de baja calidad.

CAPACIDAD DE CARGA EN PILOTES La utilización de pilotes como un sistema de cimentación, se basa principalmente en que en algunos proyectos civiles, no pueden distribuir adecuadamente las cargas trasmitidas en una cimentación superficial, sin exceder la capacidad portante del suelo. Su utilización es adecuada también para terrenos con; arcillas expansivas, nivel freático muy cerca del nivel del suelo o cuando la edificación está situada sobre el agua. Para hincar el pilote siempre se buscará el apoyo sobre una capa resistente de suelo que soporte las cargas transmitidas, frecuentemente la capa firme está a mucha profundidad. Estos pilotes son similar a un elemento estructural con una sección transversal pequeña pero con de una longitud considerable, los cuales se hincan en el terreno de manera individual o en filas, como para poder soportar la carga transmitida por una columna o muro (Fig. 1.0.0. - Anexos). En algunas ocasiones se utiliza estos elementos de manera inclinada para soportar cargas en muros de contención. Su instalación de la realiza mediante maquinaria en forma de martinete. Las cargas de trabajo para los pilotes hincados varían de acuerdo a sus dimensiones, especificaciones, tipo de material del cual está constituido. Los pilotes de madera no pueden ser hincados en suelos con elevada resistencia, puesto que sufren daños al ser martillados, por ello su capacidad para soportar carga se restringe alrededor de 25 toneladas o menos. En cambio los pilotes de concreto ya sean colados o prefabricados e hincados y los pilotes de acero soportan una mayor carga debidos a su capacidad estructural. (Tabla 1.0.a. – Anexos).

Capacidad de Carga en Pilote Único En el caso de un pilote único o asilado, la carga aplicada es soportada por el área de contacto, de la punta del pilote contra el suelo y la fricción que produce el área lateral (fuste) con el terreno. La capacidad o resistencia del pilote, se lo realiza en base a; densidad y cohesión del suelo, peso específico del material que conforma el pilote, área de la punta, capacidad de carga final, incremento de longitud del pilote, área lateral del pilote en contacto con el suelo y capacidad unitaria que posee el fuste para su agarre con el terreno. (Fig. 1.1.1. - Anexos). Para la capacidad de carga del pilote, no se considera el diámetro de este debido a que es relativamente pequeño, y en los cálculos no existirá una afectación considerable. Por lo cual [2]

tenemos que ciertos parámetros no imprescindibles, ya sean del suelo como del pilote no se consideran en los cálculos para la determinación de la capacidad de carga del pilote. También se tiene en consideración que los parámetros de la capacidad portante del suelo, está implícita en la realización de dichos cálculos. Nuestras determinaciones para la capacidad del pilote deberán mantener rangos de seguridad. Permisibles, ya sean para la resistencia en el fuste del pilote como para la punta que está en contacto con el estrato firme si así fuere el caso. La resistencia del fuste, se lo calcula considerando el tipo de suelo y el método con el cual se realiza la hinca en el terreno, ya que podría generar un grado de afectación en el suelo, produciéndose perturbaciones, ya sean en los esfuerzos laterales que actúan sobre el pilote, al ángulo de fricción o hasta incluso en la toda la superficie de contacto. Sin embargo en el cálculo de los esfuerzos transmitidos por el fuste, la importancia de este, permanece en el valor adecuado de la resistencia unitaria del fuste. En el caso de que el área para edificación sea de terreno arenoso, estos pilotes se los penetra a presión en el suelo, al hincarlos en el suelo arenoso, produce una compactación en la arena, debido a las vibraciones producidas al momento de la hinca. La adherencia generada por el fuste en los suelos, depende del tipo de suelo, para suelos arcillosos la resistencia que genera el suelo sobre el fuste es mayor cuando los pilotes hincados son, de madera o de concreto, a cambio en los pilotes metálicos esta resistencia es mínima debido a que el fuste constitutivo del pilote es liso. Casagrande en 1932 menciona “Que la perturbación de una arcilla natural por la inca de un pilote puede dar lugar a un gran aumento de compresibilidad y a una pérdida de resistencia”.1 De manera que para la determinación de la capacidad de resistencia del pilote, se debe considerar estos parámetros en el suelo arcilloso. La capacidad de carga de un pilote de punta, expresada como una fuerza, se determina multiplicando el esfuerzo por el área transversal del pilote. De manera que la carga que soporta un pilote único es igual a la resistencia por la sección de la punta más la resistencia producida por el fuste del pilote, incluyendo características del terreno y del

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Geotecnia - Lambe “Cimentaciones profundas”

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pilote. Ya que la penetración del pilote está directamente relacionada a la capacidad y compresibilidad del suelo en la cual se encuentre apoyada.

Capacidad de carga en grupo de pilotes Los grupos de pilotes se consideraría como un muro de cimentación, si estos trabajaran de manera cooperante entre sí, pero ya que dependen del tipo de suelo en donde serán implantados, esto tiende a variar, así es que no trabajaran como un muro de cimentación más bien trabajaran conjuntamente si las características del conjunto de pilotes son las adecuadas para el tipo de suelo. Se ha llegado a determinar que la resistencia obtenida por el grupo de pilotes es menor a las suma de las resistencias unitarias, por lo cual la capacidad resistiva del grupo se ve disminuida, tomando en cuenta cuando se tiene un pilote aislado, este, al estar en el terreno, la fricción y el esfuerzo trabaja a lo largo del fuste, generando también un bulbo de presiones mayor alrededor del pilote, lo que no sucede con el grupo de pilotes, pues estos al estar en conjunto, genera una superposición de presiones, esto es debido a su cercanía entre pilotes, por ello es determinante al trabajar con grupo de pilotes que estos estén distanciados aproximadamente de entre 3 a 5D entre sí. Esto evitará, la interferencia en la transmisión de la cargas al suelos alrededor del pilote. (Fig. 1.3.1. - Anexos). Si la capacidad de carga de un determinado grupo de pilotes no tiende a ser igual a la suma de la capacidad de cada pilote aislado, entonces es debido a que trabajan de manera conjunta e indistintamente en cada tipo de suelo, por ejemplo: en el caso de colocarse un grupo de pilotes en un suelo arcilloso llegará a tener una eficiencia menor, que a un grupo de pilotes hincados en suelo arenoso, los cuales poseen una eficiencia mayor que 1. La eficiencia en este caso para el grupo de pilotes estará dada por la relación existente entre la capacidad de carga real de carga del pilote en grupo, y del pilote individual aislado 2. Por ende para los pilotes hincados en arcilla su eficiencia es aparentemente menor a 1. La misma que mediante ciertas pruebas determina que la eficiencia de un grupo de pilotes está determinado por la separación que exista entre los mismos pilotes.

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Suelos, fundaciones y muros –María Graciela Fratelli cap. “Fundaciones profundas”

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En particular las cargas actuantes en el grupo de pilotes tarde o temprano es trasmitido solo a la punta del grupo de pilotes, la cual está en contacto con el estrato de suelo firme, de esta manera, la capacidad portante del pilote se basaría solo en la sección transversal de la punta en contacto con el macizo rocoso o estrato firme y la fricción generada por la pared lateral del fuste de todos los pilotes. El grupo de pilotes genera aún más compresibilidad, compacidad y asentamiento en los terrenos que son hincados. Los estudios acerca de la capacidad de carga en grupo de pilotes es reducida y solo existen estudios teóricos con conocimientos empíricos, debido a que se considera de gran dificultad, realizar pruebas a gran escala sobre grupos de pilotes, por lo cual se tiene una información muy escasa. En estos casos los pilotes al no tener mayores referentes de estudios, para el diseño de un proyecto que conlleve a la utilización de grupo de pilotes en sus cimentaciones, se deberían trabajar en todos el grupo de pilotes con cargas limites, para luego mediante los parámetros conocidos obtener las cargas admisibles de servicio, los cuales serán determinados aplicando factores de seguridad de acuerdo al tipo de proyecto. Se tendrá en consideración para estos casos, que aun cuando se calculen con gran precisión la capacidad de carga límite de los pilotes, la resistencia de servicio para la cual se determina, deberá estar bajo los rangos del factor de seguridad.

Pruebas de carga en pilotes Las pruebas en pilotes están orientadas para determinar el uso de los mismo, ya sean de manera individual o en grupos, se llegan a determinar características de los pilotes, ya sea de manera de que estas, trabajen de manera cooperante para soportar las cargas del proyecto. Esto es realizado más que todo para proyectar especificaciones técnicas, en el hincado o colado del pilote en situ, especificaciones del martinete a utilizar en caso de ser necesario el hincado del pilote, y en el caso de que el pilote sea colado, la verificación de la resistencia que presente, después de haber permitido el endurecimiento o fraguado total, una vez introducido en el terreno, incluso en estos casos las características que adquieran estos pilotes al culminar el tiempo de fraguado pueden variar de acuerdo al terreno.

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Para pilotes de acero estas cargas de prueba en ocasiones producen alteraciones a las características del suelo, tomando como ejemplo; cuando esta carga de prueba es aplicada de manera directa sobre el pilote de acero, y el uso del martinete de hinca genere vibraciones, dará a lugar que el suelo debido a esta vibración se compacte o se produzca una licuefacción, ocasionando que en lugar de que el suelo alrededor del pilote de acero sirva como soporte, este ayude a que el pilote falle, por no poseer la suficiente resistencia a los costados del fuste del pilote. Y que los esfuerzos para controlar esta resistencia varíen drásticamente, por ello es indispensable verificar y controlar que no se produzcan vibraciones, en este tipo de pilotes. Por ello las pruebas de carga se los pueden realizar en pilotes aislados o en grupos, estas pruebas consisten en la aplicación de cargas de compresión, tracción o flexión. La finalidad de este tipo de pruebas en pilotes está basado en obtener datos de prueba necesario para al momento de su construcción, el pilote sea el adecuado y resista las cargas del proyecto. Una prueba de carga puede proporcionar datos con respecto a las características cargaasentamiento y de capacidad de un pilote, solamente en el tiempo y bajo las condiciones que se impongan para la prueba Para la realización de la prueba por lo general es necesario que el pilote se halle en un suelo completamente desfavorable y así considerar el análisis de sus características mecánicas.3 Las cargas aplicadas son de tipo estático cuando se realiza mediantes cargas inmóviles sobre la cabeza del pilote, esta carga está soportada a menudo mediante dos pilotes a los costados, los cuales trabajan a tracción. Cuando las cargas son de tipo dinámico, estas son aplicadas a manera de impacto sobre la cabeza del pilote, pero la aplicación de este tipo de carga resulta en un asentamiento considerable en el terreno de hinca del pilote. (Fig. 1.2.1. - Anexos). El código de Boston específica “Que es asentamiento bajo la carga de proyecto no debe ser superior a 1cm y el asentamiento bajo el doble de la carga de proyecto no sea superior a 2,5cm”.4 Tomando en cuenta estas limitaciones, estas pruebas resultarían satisfactorias al comprobarse en proyecto que la capacidad portante de los mismos, dependa de manera fundamental de la resistencia en la punta, más la fricción lateral generala por el fuste del pilote.

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Mecanismo de transferencia de carga La transferencia de una carga aplicada en un pilote se da de manera gradual aplicando pequeños incrementos de carga sobre este, desde la superficie de la cimentación. Parte de esta carga aplicada al pilote es resistida por la fricción entre el suelo y el fuste y el resto por el suelo debajo de la punta del pilote, como antes ya mencionado. (Fig. 1.4.1. - Anexos). Cada vez que incrementemos la carga de manera gradual, el pilote genera una resistencia máxima producida por la fricción a lo largo de la longitud del fuste del pilote. Entonces al aplicar ya una carga última sobre un pilote se espera que la falla se produzca de manera gradual a lo largo de la superficie lateral (fuste), la cual está en mayor contacto, antes que la superficie de contacto de la carga. Pero se ha determinado que la falla principal, es producida en el suelo debido al pilote el cual ocasiona un punzonamiento en el terreno debido a la punta del pilote, que es empujada hacia abajo produciendo una pequeña superficie de deslizamiento, por ende, consolidando y compactando alrededor de esa sección. 5 Al considerarse esta como cimentación se debe tomar en cuenta que no solo soportará cargas de manera directa y generaría esfuerzos sino que también deberán considerarse esfuerzos laterales y la generación de momentos. Por tanto los proyectos con cargas En algunas estructuras como muros para compuertas, muros de sostenimiento e incluso en edificaciones menores se utilizan por debajo de estas, cimentaciones a base de pilotes, en las que el peso de la estructura dirigida hacia abajo, son usualmente mayores que las cargas hacia arriba, las cuales son debidas al momento generado por las fuerzas en los costados del pilote. En ocasiones el área de proyecto tiene un suelo más compacto o firme en el cual el pilote hincado o colado puede soportar mayores cargas, pero se debe tomar en cuenta varias consideraciones, constantes, parámetros sin dejar de lado, el realizar un estudio cuidadoso de las condiciones del subsuelo y de las necesidades estructurales solicitadas.

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Fricción Negativa En ocasiones nos podemos dar cuenta de la resistencia que el suelo presenta al tratar de introducir algún objeto en este medio, esta resistencia a menudo varía de acuerdo a las características que posea el suelo, bien puesta esta resistencia es producida por la fricción, generada al entran en contacto, en nuestro caso el pilote con el suelo. Esto es arbitrario de manera que si el suelo es expansivo, la hinca se lo realiza con facilidad, pero en ocasiones incluso este tipo de suelos presenta una resistencia opuesta a la introducción del pilote. Por ende el pilote debe su soporte, a las caras laterales que están en contacto con el suelo generando una fricción, que en algunos casos esta llega a ser negativa, cuando el suelo de manera natural e inesperada varia en sus características dejando de aportar con esfuerzos de compresión, esto sucede generalmente cuando el nivel freático desciende. Cuando en la masa de suelo e produce un sentamiento debido a la consolidación ya sea por su propio peso o por un relleno con sobrecarga, al momento de realizar la inserción del pilote este también generará e inferirá en el asentamiento. Para suelos profundos y homogéneos, la mayor parte de la resistencia, del pilote se origina en la fricción producida por la superficie, pero la resistencia a la carga en algunos tipos de suelos se da también por adhesión. En determinados casos se puede dar que el suelo es altamente compresible, como por ejemplo en arcillas, terrenos de relleno y hasta limos, el suelo se comprime, produciéndose un asentamiento y compresión alrededor de este. Este proceso es similar como cuando tenemos un nivel freático bajo el lugar donde se encuentran los pilotes. El suelo bajo este pilote introducido, tiende a deslizarse hacia abajo y genera un arrastre, el cual es conocido como fricción negativa. (Fig. 1.5.1. - Anexos). Esta fricción negativa es la que trata de hundir al pilote en vez de sostenerlo, y por ello disminuye de manera considerable la capacidad de resistencia. La causa principal para producir este tipo de fricción es por el incremento de la carga axial en el pilote y como consecuencia genere asentamientos secundarios en el suelo alrededor del mismo. Este efecto ocurre debido a que el suelo se adhiere muy fuertemente a la superficie lateral del pilote, y cuando es aplicada una carga se produce una carga adicional que origina que se asiente, produciéndose esta llamada fricción negativa. [8]

Esta fricción da como efecto el incremento de la carga inicial de compresión que tiene el pilote y de manera considerable puede superar a la carga admisible del suelo. En algunos casos tenemos que cuando el pilote se halla muy profundo y en suelo homogéneo, este generalmente soporta solo debido a la fricción, y cuando esta resulta negativa, tendremos que este pilote se hunde de manera inmediata, esto es producido en parte porque la punta no alcanza un estrato firme para comenzar con su trabajo de soporte. En algunos casos se tiene que todo el suelo que rodea al fuste de un pilote, llega a moverse hacia abajo, respecto al mismo, produciendo una fuerza que el lugar de ayudar o sustentar en parte al pilote, esta fuerza tiene que ser soportada por el pilote en sí, de esta manera se produce la fricción y por acción de esa fuerza que tiene que soportar el pilote, se considera como una fricción negativa. Entonces cuando mediante resultados de estudios de suelos y estratos, determinamos que es un terreno compresible, deberemos hacer un estudio más detallado pero en este caso, se lo realizará del subsuelo. Así también revisaremos la magnitud de las cargas que tendrán que soportar las cargas debido a la estructura, para poder determinar si el pilote puede o no resistir a una posible fricción negativa ocasionada al encontrarse el pilote con un estrato compresible. Este tipo de análisis y estudios los realizaremos cuando tengamos que utilizar pilotes como cimentación de soporte para grandes proyectos, ya sean aislados o en grupos. En ocasiones la longitud de los pilotes depende de la resistencia cortante que posee el suelo, de la carga que aplicamos sobre el pilote y del tamaño del pilote, en los cuales también se verán afectados debido a la fricción sin importar el tipo de suelo, pero en determinados suelos con características antes mencionadas, estas condiciones adicionales como la compresibilidad se deberán de tomar en cuenta con mayor énfasis, para evitar la posible falla del pilote y del suelo alrededor de este. Para determinar las características necesarias que debe poseer un pilote, se hace necesario poseer un buen entendimiento acerca de la interacción suelo-pilote que se produce en el terreno para el proyecto, estando conjuntamente este entendimiento con buen juicio y experiencia en este campo, para así disminuir los riesgos de falla, no solo de los pilotes y el suelo, sino la falla de toda la estructura.

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Conclusiones 

Los pilotes considerados como cimentaciones profundas son de gran utilidad para transmitir a una base firme o estrato firme las cargas de las estructuras, atreves de un terreno blando o con poco apto para soporte de cargas.

 En suelos desfavorables los pilotes son considerados como los sistemas de cimentación mas adecuados, puesto que soportan cargas axiales, cargas totales, en ocasiones trabajan de manera aislada aportando resistencia al suelo en el que se encuentra.

 Los pilotes pueden trabajar eficientemente, ya sea en cargas de compresión y tracción, siempre y cuando se trabaje dentro las cargas límites y dentro de los parámetros de seguridad en cada caso.

Bibliografía Suelos, fundaciones y muros –María Graciela Fratelli, “Fundaciones profundas” Geotecnia – Lambe, “Cimentaciones profundas” Principio de Ingeniería de Cimentaciones – Braja M. Das, 4ta edición, “Cimentación con pilotes” Ingeniería de Cimentaciones – Ralph B. Peck, Walter E Hanson, Thomas H. Thornburn., “Cimentaciones Piloteadas” Geotecnia y Cimentaciones - Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-11), Cap. 9, “Cimentaciones Profundas” Mecánica de Suelos II – Rodolfo M. Castillo, “Cimentaciones e interacción con el suelo”

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