Análisis de la influencia de los efectos parásitos para estribos pilotados de puentes en suelos blandos

Resumen La estimación de los efectos parásitos que pueden generarse sobre los pilotes en suelos blandos (ya sea rozamiento negativo y/o empujes horizontales), puede abordarse con distintas recomendaciones incluidas en la literatura técnica y en las normativas de algunos países, pero no suele encontrarse ningún análisis específico aplicable a estribos pilotados. Sin embargo, la experiencia demuestra que si no se tienen en cuenta estos efectos en el cálculo, pueden producirse importantes daños en los pilotes y en las estructuras que soportan, existiendo numerosos ejemplos al respecto, especialmente cuando el suelo presenta estratos de suelos blandos de grandes espesores. No obstante lo anterior, una estructura pilotada puede diseñarse para resistir los efectos parásitos, teniendo en cuenta además la consideración de otros aspectos importantes, como por ejemplo el coste de la obra, plazos de ejecución, comportamiento a largo plazo, etc, para tratar de optimizar su repercusión económica. De esta forma en muchas ocasiones la forma más eficaz de resolver el problema es la de realizar trabajos complementarios que mejoren las características del terreno para minimizar los efectos parásitos, como por ejemplo, aplicación de precargas al terreno para consolidarlo antes de ejecutar los pilotes. De acuerdo a lo anterior, este trabajo pretende analizar las principales recomendaciones y normativas existentes en Chile y España, así como otras publicaciones nacionales e internacionales, que tratan el tema de los efectos parásitos en cimentaciones profundas, con el objeto de contrastar los distintos parámetros que resultan más sensibles.

1. Introducción

Las cimentaciones profundas en base a pilotes han de soportar las cargas que la estructura transmita al terreno, no obstante lo cual, también pueden estar solicitados por pesos o empujes del terreno y/o del agua, así como por acciones derivadas del movimiento del propio terreno de cimentación.

A los efectos que produce el movimiento del terreno sobre los pilotes se les denomina efectos parásitos.

Si el movimiento de tierras es paralelo al eje del pilote se induce una fricción sobre él, que tiende a cargarlo, con independencia de las acciones que transmita la estructura en esa cimentación. Esta fricción se denomina rozamiento negativo que pasa así a inducir una nueva acción sobre el pilote, al mismo tiempo que elimina la posibilidad de contar con la resistencia de fuste en la zona en que se genera.

Si hay una componente del movimiento del terreno perpendicular al pilote, las acciones internas que se inducen resultan ser equivalentes a unos empujes horizontales o laterales, originándose así, unos esfuerzos de flexión en los pilotes, con los correspondientes giros y traslaciones.

En ambos casos, que pueden producirse simultáneamente, el pilote experimentará movimientos que pueden ser incompatibles por la función de la estructura cimentada. Pero, aún en caso contrario, el pilote quedará sometido a unas tensiones parásitas que habrá que tener en cuenta, a efecto de que no agoten la capacidad mecánica del propio pilote o de que no reduzca excesivamente la capacidad de carga de la cimentación.

2. Rozamiento negativo

Considerando el criterio que establece la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras de España Ref. [2] el procedimiento de cálculo del rozamiento negativo, se resume en los siguientes pasos (ver Fig. 1):

Figura 1. Esquema de cálculo simplificado del rozamiento negativo (Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras, 2003 Ref. [2])

Pilotes perforados encamisados

 

Este procedimiento de construcción de pilotes se realiza perforando el terreno y colocando una camisa o entubaciónpara contener las paredes de la perforación. Podrían distinguirse dos tipos, los que recuperan la entubación o los que dejan dicha entubación perdida.

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

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

Ensayos de Cargas en Pilotes

Descripción de los ensayos a realizar para detectar posibles defectos del pilote.

Es un método económico y sencillo que detecta defectos importantes en la masa y calidad del pilote. Su inconveniente radica en que necesita la interpretación de un especialista.

Para efectuarlo se debe esperar a que el concreto adquiera una cierta resistencia. Cuando la esbeltez del pilote es importante o tiene varios cambios en su sección, en la punta del pilote no se detecta claramente.

El método mas seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayoría de los lugares, es la prueba de carga. Los ensayos de carga se hacen 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.

La capacidad de carga en todos los pilotes, excepto los hincados hasta la roca, no alcanza su valor máximo hasta después de un periodo de reposo. Los resultados de los ensayos de carga no son una buena indicación del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan después de un periodo de ajustes. En el caso de pilotes hincados en suelo permeable este periodo es de dos o tres días, pero para pilotes rodeados total o parcialmente por limo o arcilla, puede ser de mas de un mes.

Los ensayos de carga se pueden hacer construyendo una plataforma o cajón en la cabeza del pilote o grupo de pilotes, en la cual se coloca la carga, que puede ser arena, hierro, bloques de concreto o agua. Para hacer un ensayo mas seguro y más fácilmente controlable, se usan, para aplicar la carga, gatos hidráulicos de gran capacidad cuidadosamente calibrados. La reacción del gato será tomada por una plataforma cargada o por una viga conectada a pilotes que trabajaran a tracción. Una ventaja adicional del uso de gatos es que la carga sobre el pilote se puede variar rápidamente a bajos costos. Los asentamientos se miden con un nivel de precisión o, preferiblemente, con un micrómetro montado en un soporte independiente.

Introducción

La capacidad portante de un pilote instalado en suelo depende de factores muy variados y resulta difícil establecer su valor con una  única fórmula. El proceso debe incluir factores variables de acuerdo  al tipo de fenómeno que se provoca durante la instalación de un  pilote.

La función del pilote consiste en recibir en su cabeza una  carga de la superestructura y transferirla al suelo que lo rodea a  través de toda su longitud. La  única diferencia con la capacidad de carga de las fundaciones  directas superficiales es la contribución de la acción de la superficie  lateral del pilote.

OBJETIVOS

Objetivo general:

•       Conceptualizar las pruebas de carga de los pilotes y su interpretación.

Objetivos específicos:

•       Comprender el comportamiento de la interacción pilote – terreno.

•       Determinar los ensayos más importantes para las pruebas de carga en pilotes.

•       Conocer el comportamiento de los asentamientos elásticos de un grupo de pilotes.

•       Interpretar las pruebas de carga en pilotes.

Interacción pilote terreno

INTERACCIONES

La forma de distribución del esfuerzo, el asentamiento y capacidad máxima de una cimentación por pilotaje, depende del efecto del pilote en el suelo. El pilote, representado por un cilindro de longitud L y diámetro D, es una discontinuidad en la masa de suelo, que reemplaza el suelo, según sea instalado por excavación, como un pilar, o por hinca.

•       La excavación altera el suelo cambiando la forma de distribución del esfuerzo; el suelo puede ser comprimido hacia adentro, desorganizándose la estructura de las del suelo. Al forzar un pilote dentro del agujero o al colocar concreto fresco, puede que se fuerce parcialmente el suelo hacia afuera, originándose más alteración

Tipos de Pilotajes

PILOTES DE DESPLAZAMIENTO

• Pilote con azuche.

1. Hincado de tubería hueca mediante golpeo con maza o martillo hasta llegar al rechazo, azuche en la punta de forma cónica.
2. Colocación de la armadura hasta el fondo del pilote.
3. Hormigonado a la vez que extraemos la tubería, hormigón de consistencia seca y golpeo del tubo para que haga la función de vibrado.
4. Demolición una longitud no menor de 1 m. (descabezado del pilote).

• Pilote de tapón de grava.

1. Ejecución de tapón de gravas, arena y hormigón (de consistencia 0) dentro de la entubaicón dispuesto en tongadas pequeñas y fuertemente compactado, de espesor 3Ø.
2. Golpeo sobre el tapón para arrastrar la entubación hasta la cota requerida.
3. Golpeo del tapón y extracción de la entubación para desalojo del mismo, quedando como punta del pilote un ensanche.
4. Colocación de la armadura dentro del la entubación.
5. Extracción de la entubación a la vez que se va hormigonando.


PILOTES DE EXTRACCIÓN

• Pilote mediante rotación en seco.

1. Perforación mediante barrena
2. Colocación de la armadura
3. Hormigonado mediante tubo Tremie
4. Pilote terminado

• Pilote mediante cuchara con camisa recuperable.

1. Extracción de tierras mediante cuchara a la vez que se baja la entubación en el espacio extraido.
2. Llegado a la cota deseada, colocación de la armadura dentro de la camisa recuperable.
3. Relleno de hormigón desde el fondo con tubo Tremie y extracción de la entubación a la vez que se rellena, cuidando que quede al menos el hormigón por encima del borde inferior de la entubación una distancia de 2Ø.

• Pilote mediante cuchara bivalva y lodos ventoliticos.

1. Excavación con cuchara y vertido de lodo en la excavación.
2. Introducción de las armaduras.
3. Hormigonado desde el fondo mediante tubo Tremie y recuperación de lodo.
4. Descabezado.

• Pilote de barrena continua.

1. Peforación mediante barrena hasta la cota deseada.
2. Extracción y hormigonado simultaneo a través del tubo de la barrena.
3. Pilote hormigonado. 4. Colocación de la armadura en el hormigón fresco.
5. Descabezado (no mostrado en el gráfico).