Ejemplo de Pavimento de Carretera.

Uno de los usos mas comunes y extendidos del suelo como material de construcción es en pavimentos (*) de carreteras y aeropuertos. Los pavimentos pueden ser flexibles o rígidos. La función principal de un pavimento flexible es repartir las cargas de rueda concentradas en una superficie suficientemente grande para que no se produzcan esfuerzos excesivos sobre el terreno de cimentación. El pavimento rígido, formado por una loza de concreto armado posee suficiente resistencia a flexión para hacer de puente sobre las partes blandas de la cimentación. El pavimento más adecuado para cada caso particular depende de la naturaleza del terreno, de los materiales de construcción disponibles y de las funciones de la carretera.

Fig. 1.11. Pavimento de carretera.

La Fig. 1.1 1 muestra un pavimento flexible de carretera proyectado para 100 pasadas por día y por carril de un vehículo con una carga máxima por rueda de 6,750 kg. El pavimento elegido está formado por una subrasante mejorada, conseguida al compactar los 15 cm superiores el terreno natural; una capa de base formada por 15 cm de suelo del lugar, estabilizado con un 7 % en peso de cemento portland y regado hasta la humedad conveniente el cual se compactó posteriormente; y una superficie de rodamiento constituida por 5 cm de mezcla asfáltica fina, en caliente.

En general, la base de un pavimento está formada por grava o piedra triturada. En el desierto en que se cons truyó el pavimento de la Fig. 1. 11 había escasez de grava, pero existía gran abundancia de arena de médano. En este caso fue más económico mejorar las propiedades de la arena local (estabilización) que transportar grava o piedra desde distancias mayores. El agente estabilizante más económico y el método de ejecución de la base estabilizada se definieron, a partir de un programa de pruebas o en sayos de laboratorio, considerando diversos productos y métodos constructivos.

En el proyecto y construcción de esta carretera, el ingeniero debió tener en cuenta las siguientes cuestiones:

1 ¿Qué espesores deberían darse a las distintas capas del pavimento para soportar las cargas previstas?
2. ¿Qué porcentaje óptimo de producto estabilizante debería emplearse con la arena de médano?
3. ¿Es aceptable la arena de médano para la mezcla asfáltica?
4. ¿Qué tipo y qué porcentaje de asfalto proporcionaría el pavimento más económico y satisfactorio?
5. ¿Qué tipo y grado de compactación debería aplicarse? 

Ejemplo de una Estructura de Recuperación de Tierras.

En muchas partes del mundo ya no quedan lugares adecuados dónde construir. Esto resulta particularmente cierto en las instalaciones portuarias y marítimas, que, evidentemente, deben situarse en la costa. Para remediar esta escasez se realiza un número cada vez mayor de obras en las que se forman grandes sitios de construcción con relleno de tierra. El suelo para estas obras se obtiene generalmente dragándolo del cauce de un río adyacente, un lago o el fondo del mar y colocándolo en el emplazamiento deseado. Este proceso se denominada relleno hidráulico.

Las Figs. 1.9 y 1.10 muestran una obra realizada con éxito en el lago Maracaibo, Venezuela. Se construyó una isla artificial hincando una pantalla de pilotes de concreto que cercaba un recinto de 850 m de longitud por 60 m de anchura. A continuación se dragó tierra del fondo del lago Maracaibo, transportándola por bombeo al recinto protegido por la pantalla, hasta que el nivel del relleno hidráulico, alcanzó la altura deseada. Se combinaron tres factores, la falta de terreno en la costa, el calado requerido para el atraque de grandes buques y la necesidad de dragar un canal en el lago, para que esta construcción de una isla artificial resultara una solución excelente para suplir las necesidades de puntos de atraque en esta zona.

Figura 1.9  Estación Maritima construida por relleno hidráulico.

Sobre la isla artificial se construyeron depósitos de almacenamiento para diversos productos derivados del petróleo. Estos productos se transportan por tubería desde la costa hasta los depósitos de la isla y después, se bombean desde éstos a los petroleros anclados en los dos atracaderos que aparecen en la Fig. 1.9.

Se realizaron numerosos sondeos de reconocimiento, en la zona a dragar, con el fin de poder estimar el tipo de relleno que se usaría para la formación de la isla. Este relleno estaba formado principalmente por arcilla en forma de terrones duros, de tamaño variable entre 2 y 15 cm, junto con un barro ligero de agua con limo y partículas arcillosas en suspensión. Al salir de la tubería de bombeo, las partículas más grandes se depositaban en primer lugar, mientras que las más finas eran arrastradas a considerable distancia de la descarga de la tubería. En un ángulo de la isla se dispuso un vertedero para permitir que volviera al lago el exceso de agua arrastrada en la operación de dragado.

Para el proyecto de esta obra, el ingeniero debió resolver entre otras, las siguientes cuestiones:

1. ¿Hasta qué profundidad debía penetrar la pantalla en el terreno de cimentación?
2. ¿Cómo debían arriostrarse lateralmente los pilotes?
3. ¿Cuál sería el método más conveniente para la colocación del relleno? , es decir, ¿cómo debía colocarse la salida de la tubería de dragado con objeto de conseguir que la parte más firme del relleno estuviera en los lugares donde se producirían las mayores cargas sobre la cimentación?
4. ¿Qué valores de resistencia y compresibilidad del relleno hidráulico debían emplearse para el proyecto de las cimentaciones de los depósitos, edificios e instalaciones de bombeo que se iban a colocar en la isla?
5. ¿Dónde se depositarían los finos del suelo que salían del recinto de la isla por encima del vertedero?

Ejemplo de Presa de Tierra.

La Fig. 1.8 es una sección transversal de una presa de tierra construida para crear un embalse. Las dos zonas principales de la presa son el nucleo o corazon de arcilla y el pie de enrocamiento  el núcleo con su arcilla impermeable hace que las filtraciones sean escasas; y el pie de bloques de roca pesados y muy permeables, proporciona una estabilidad considerable a la presa. Entre ambas zonas se coloca un filtro de grava para evitar el arrastre de las partículas del suelo del núcleo hacia los huecos del enrocamiento. 

Figura 1.8  Presa de Tierra.

Entre el núcleo y el embalse se coloca un manto de bloques sobre un lecho de grava. Este manto evita la erosión del núcleo por la lluvia o el agua del embalse. El lecho de grava impide la penetración de grandes bloques de roca del manto en la arcilla. Este tipo de presa se denomina mixta o graduada para diferenciarla de la presa de tierra homogénea en la que se utiliza un solo tipo de material en toda la sección.

La popularidad de las presas de tierra, en comparación con las de concreto, aumenta de manera constante por dos razones principales. En primer lugar, la presa de tierra puede resistir mejor los desplazamientos de la cimentación y de los estribos que una estructura de concreto más rígida. En segundo lugar, el costo de las obras de tierra por unidad de volumen se ha mantenido aproximadamente constante durante los últimos 50 arios (el aumento del costo de la mano de obra ha sido contrarrestado por las mejoras en los equipos de movimiento de tierras), mientras que el costo del concreto ha aumentado continuamente. Por tanto, las presas de tierra tienen cada vez más aceptación. 

Los tamaños relativos de cada zona en una presa de tierra y los materiales de las mismas dependen mucho de los materiales disponibles en el lugar. En el caso de la presa de la Fig. 1.8 los volúmenes respectivos de arcilla y roca que se extrajeron de la excavación para el embalse fueron prácticamente equivalentes a los que se usaron para la presa. De esta forma no se desperdició nada del material excavado. El único material escaso en la zona era la grava empleada para el filtro y el lecho de apoyo del enrocamiento. Este material se obtuvo de graveras fluviales a cierta distancia de la zona, y se transportó en camiones hasta la presa.

La construcción de la presa se realizó en toda su longitud y ancho simultáneamente; es decir, se intentó mantener la superficie de la presa aproximadamente horizontal en todas las fases de la construcción. El pie de la misma, formado por bloques de roca con tamaños desde 0.15 a 0.90 m, se vertía directamente desde los camiones y la piedra se regaba con agua a presión elevada a medida que se descargaba. La arcilla y la grava se colocaron por capas horizontales de 015 a 0.30 m de espesor, regándolas hasta obtener una humedad determinada y, finalmente se compactaron, en toda la superficie, mediante rodillos.

Durante el diseño y construcción de la presa de tierra, los ingenieros civiles debieron tener en cuenta las cuestiones siguientes:

1. ¿Qué dimensiones debería tener la presa para obtener la estructura más económica y segura?
2. ¿Cuál es el espesor mínimo seguro de las capas de grava?
3. ¿Qué espesores de grava y bloques de roca serian necesarios en el manto para limitar el hinchamiento del núcleo de arcilla a un valor admisible?
4. ¿Qué humedad y método de compactación deberían emplearse en la colocación de la grava y arcilla?
5. ¿Cuáles serian las características de resistencia y permeabilidad de la presa construida?
6. ¿Cómo variaría la resistencia y la permeabilidad de la presa con el tiempo y la altura de agua en el embalse?
7. ¿Qué pérdidas por filtración podrían producirse bajo la presa y a través de la misma?
8. Si es el caso, ¿qué restricciones especiales deberían imponerse en el funcionamiento del embalse?

El Suelo Como Material de Construcción.

El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye, de hecho, el único material disponible localmente. Desde el período neolítico, la tierra se ha utilizado para la construcción de monumentos, tumbas, viviendas, vías de comunicación y estructuras para retención de agua. En este apartado se describen tres estructuras construidas con tierra.

Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y, luego, controlar su colocación en la obra. Una masa de suelo colocada por el hombre constituye un relleno  y el proceso se suele denominar rellenado. Uno de los problemas más habituales en este tipo de construcción se debe a la gran diversidad de los puntos de extracción, denominados zonas de préstamo. Una parte esencial de la tarea del ingeniero es cerciorarse que las propiedades del material colocado correspondan a las supuestas en el proyecto, o modificar el proyecto durante la construcción, teniendo en cuenta cualquier diferencia entre las propiedades de la obra construida y las que se consideraron en el proyecto.

Ejemplo de Levantamiento de una Cimentación.

El ingeniero no sólo se enfrenta con problemas referentes a asentamiento sino también con casos de movimiento

* Independientemente de la aceptación geológica, los términos “falla” y “rotura” se utilizan como traducción cte failure en tos países de habla castellana, por lo que los emplearemos indistintamente.

Figura 1.7 Edificio Cimentado en Suelo Expansivo.

ascensional (levantamiento de estructuras. Los problemas de levantamiento se producen cuando el terreno se expande, al disminuir la presión de las tierras que lo confinan superiormente y/o cuando aumenta la humedad del suelo. Algunos suelos; denominados expansivos poseen propiedades de hinchamiento en grado relativamente elevado.

Los problemas de levantamiento o hinchamiento son bastante generales y de importancia económica en aquellos países que tienen regiones áridas, como por ejemplo Egipto, Israel, África del Sur, España, el Suroeste de los Estados Unidos y Venezuela. En tales zonas, los suelos se secan y contraen con el clima árido, hinchándose nuevamente al existir humedad. El agua necesaria puede proceder de la lluvia o drenaje o por efecto de capilaridad, cuando una capa impermeable se coloca sobre la superficie del terreno, evitando así la evaporación. Evidentemente, cuanto más ligera sea una estructura tanto más la levantará el terreno expansivo. Así pues, los problemas de hinchamiento suelen estar asociados con estructuras, ligeras como pequeños edificios (especialmente almacenes), vertedores de presas y pavimentos de carreteras.

La Fig. 1.7 muestra una estructura ligera construida en Coro, Venezuela. En la zona de Coro el terreno es muy expansivo, conteniendo el mineral denominado montmorinolita. Bastantes edificios de Coro han sufrido daños por levantamiento. Por ejemplo, la solera y la losa de acceso a un hotel local, situadas sobre la superficie del terreno, al sufrir un levantamiento importante, se agrietaron severamente y quedaron muy irregulares. En el edificio de la Hg. 1.7 se utilizó un sistema que evita los daños por hinchamiento del terreno, pero que resulta mucho más caro que una simple placa superficial. En primer lugar, se abrían agujeros en el suelo, donde se colocaban revestimientos de acero para formar, a continuación tapones y pilotes de concreto. Bajo el edificio y en torno a los pilotes quedaba un hueco que servía para reducir el hinchamiento del suelo (al permitir la evaporación) y, a la vez, dejaba espacio para que tal hinchamiento se produjera sin perturbación para el edificio. 

El problema principal del ingeniero consistió en seleccionar el tamaño, capacidad, longitud, y separación de los piotes Los pilotes tenían suficiente longitud para llegar por debajo de la capa del suelo susceptible de hincharse por la presencia de humedad. La profundidad elegida era tal, que la presión de confinamiento, debida a la sobrecarga de tierras más la carga mínima del edificio, era suficiente para impedir la expansión.

Ejemplo de un Terraplén sobre Terreno Blando.

La Fig. 1.6 muestra un terraplén de 10 m de altura colocado sobre una capa de suelo blando de 9.60 m de espesor. La idea original era colocar sobre dicha zona un depósito de 15 m de diámetro y 17 m de altura, tal como

Fig. 1.6. Terraplén sobre un suelo blando.

se representa con línea de trazos en la figura. Si se hubiera colocado el depósito sobre el terreno blando, sin una cimentación especial, se habrá producido un asentamiento superior a 1.50 m. Aunque un depósito metálico es una estructura flexible, un asentamiento de 1.50 m es demasiado grande para que sea admisible.

Los estudios geotécnicos realizados mostraron que una solución muy económica para el problema de la cimentación del depósito consistía en construir un terraplén, en el emplazamiento previsto, para consolidar el terreno blando, eliminando posteriormente el terraplén y colocando por último el depósito sobre el terreno consolidado. Esta técnica es lo que se denomina precarga o sobrecarga previa.

Como la precarga debía eliminarse justo antes de la construcción del depósito, situando la cimentación del mismo a la cota adecuada, la magnitud del asentamiento de la precarga no tenía gran importancia.

Únicamente debía prestarse atención especial a que el terraplén no fuera tan alto que pudiera producirse una falla o rotura* por deslizamiento del terreno. Si el terraplén hubiera producido esfuerzos tangenciales o cortantes en el terreno, superiores a la resistencia al corte del mismo, se habría producido un hundimiento por deslizamiento. Esta rotura la habrían acompañado grandes movimientos del terreno, probablemente, con una gran perturbación del terreno blando y posibles daños a los depósitos próximos. Entre las cuestiones a tener en cuenta para esta obra pueden citarse:

1. ¿Qué altura podría alcanzar el terraplén?
2. ¿Con qué rapidez se podría construir el mismo?
3. ¿Cuáles serían los taludes mínimos del terraplén?
4. ¿Podría colocarse el terraplén sin emplear métodos especiales para contener o drenar el terreno blando?
5. ¿Cuánto se asentaría el terraplén?
6. ¿Durante cuánto tiempo debería dejarse el terraplén con objeto de que el terreno se consolidara lo suficiente para permitir la construcción y buen funcionamiento del depósito?

Ejemplo de Cimentación por Pilotes - Edificio.

La Fig. 1.5 muestra el Centro de Materiales de M.I.T., con cimentación profunda sobre pilotes. El terreno de la zona es semejante al del Centro de Estudiantes, con la importante excepción de que, en este caso, existe muy poca o ninguna arena y grava. La carga total del edificio es de 28,000 ton, compuesta por un peso muerto de 16,000 ton, y una sobrecarga de servicio de 12,000 ton. El peso muerto del Centro de Materiales es menor que el del Centro de Estudiantes, principalmente debido a que el primero está construido con materiales más ligeros mientras que la sobrecarga de servicio es mayor, por efecto de la pesada

Fig. 1.5. Edificio con cimentación profunda por pilotes.

Peso del edificio = 15,650 ton
Carga viva 12,200 ton
Peso máximo total 28,000 ton

maquinaria que albergar Las tres razones principales por las cuales el Centro de Materiales se cimiento sobre pilotes apoyados en el terreno firme, en Jugar de recurrir a una cimentación flotante, fueron:

1. La función a que estaba destinado el Centro de Materiales era tal, que no resultaba aconsejable que la planta baja quedara por debajo de la superficie del terreno.
2. No existía prácticamente arena y grava sobre la cual colocar la placa.
3. Los múltiples servicios subterráneos, en especial, un gran túnel de vapor que atravesaba la zona, habrían hecho la construcción de la placa cara y difícil.

La cimentación elegida estaba formada por 537 pilotes, cada uno de ellos con una capacidad de carga de 70 ton. Los pilotes se construyeron perforando un taladro de longitud aproximadamente igual a los 3/4 de la altura comprendida desde la superficie del terreno hasta el suelo firme; se colocó una camisa o tubo de acero de 32 cm de diámetro en el taladro perforado hincándolo hasta el terreno firme, y a continuación se rellenó dicho tubo con concreto. (El extremo del tubo se cerró con una placa de acero con el fin de evitar la entrada de tierra). Un pilote de este tipo se denomina pilote de punta (Su punta es la que le sirve de base de apoyo; descansa sobre terreno firme, en oposición al pilote de fricción o flotante que moviliza la capacidad sustentante del terreno a lo largo de una gran parte de su fuste) y también pilote colado in situ (en oposición a un pilote prefabricado e hincado posteriormente). Se extrajo tierra, con ayuda de una sonda helicoidal, en las 3/4 partes de la longitud del pilote, con el fin de reducir el aumento neto de volumen, bajo la superficie del terreno, por efecto de la introducción de los pilotes. Si no se hubiera realizado esta perforación previa, la superficie del terreno en la zona edificada habría ascendido aproximadamente 0.30 m debido al volumen de los 537 pilotes. Esta elevación habría sido inadmisible debido a que habría levantado pilotes ya colocados, resultando peligrosa por la posible perturbación de la cúpula que aparece en segundo plano en la Fig. 1.5.

Entre las cuestiones con que se enfrenta el ingeniero en el proyecto y construcción de una cimentación por pilotes están:

1. ¿Qué tipo de pilote debe emplearse?
2. ¿Cuál es la carga máxima admisible por pilote?
3. ¿Con qué separación deben colocarse los pilotes?
4. Qué método de colocación debe utilizarse?
5. ¿Qué variación respecto a la vertical puede permitir- se en un pilote?
6. ¿Cuál es la secuencia óptima en la colocación de piotes?

7. ¿Tendría el hincado de pilotes alguna influencia sobre estructuras adyacentes?

Ejemplo de Cimentación(por Placa o Loza Cortada) Superficial - Terreno

La Fig. 1.4 muestra el Centro de Estudiantes del M.I.T. que tiene una cimentación superficial formada por una placa continua bajo todo el edificio. Es lo que se denomina una cimentación por placa o por loza corda.

Fig. 1.4. Edificio con cimentación superficial por placa.

Peso del edifico                 = 32,000 ton
Carga viva (personas,
muebles, etc.)                     = 5,000 ton
                                             37,000 ton
Peso del terreno excavado  = 29,000 ton

Carga neta sobre la arcilla   = 8,000 ton

El terreno de la zona está formado por los siguientes estratos, comenzando desde la superficie hacia abajo: una capa de 50 m de un relleno blando y limo orgánico; una capa de 6 m de arena y grava; 22.50 m de arcilla blanda; y finalmente, un suelo firme y roca. El peso del edificio vacío (denominado peso muerto) es de 32,000 ton. El peso del mobiliario,, personas, libros, etc. (la llamada sobrecarga de servicio o carga viva) es de 5,000 ton. Si se hubiera construido este edificio con su carga total de 37,000 ton sobre la superficie del terreno, se habría producido un asentamiento de aproximadamente 0.30 m debido a la consolidación del terreno blando superior. Un asentamiento de esta magnitud habría dañado la estructura. La solución de este problema de cimentación fue cimentar el edificio en una excavación abierta en el terreno. El peso del terreno excavado fue de 29,000 ton, de forma que la carga neta aplicada por el edificio al terreno fue de sólo 8,000 ton. Por este sistema el asentamiento estimado del edificio fue de 5-8 cm, valor que puede tolerarse.

Este método de reducir la carga neta eliminando parte del terreno se denomina compensación de cargas o flotación. Cuando la carga del edificio se compensa en parte por el terreno excavado, la técnica se denomina de flotación parcial; cuando se compensa totalmente el peso se habla de flotación total  La cimentación flotante de una estructura se basa en el mismo principio que la flotación de un barco. El barco desplaza un peso de agua igual al suyo propio, de modo que las presiones en el agua a una cierta profundidad bajo el barco son las mismas, independientemente de la presencia de éste. Como el edificio de la Fig. 1.4 tiene un peso específico medio aproximadamente igual a la mitad del agua, y el peso específico del terreno excavado es aproximadamente doble que el agua, el edificio debería enterrarse aproximadamente la cuarta parte de su altura total para obtener una compensación o flotación completa.

En este caso particular, el ingeniero hubo de estudiar la economía relativa de esta Cimentación superficial especial, respecto a una cimentación profunda por pilotes o cajones. Después de llegar a la conclusión de que era preferible la cimentación superficial, debió responder a cuestiones como las siguientes:

1. ¿A qué profundidad debería cimentarse el edificio en el terreno?
2. Habría que proteger la excavación mediante un muro o pantalla durante la construcción, para evitar la penetración o desprendimiento del terreno?
3. ¿Sería necesario abatir el nivel freático (drenaje) para excavar y construir la cimentación? y, en caso afirmativo, ¿qué métodos deberían emplearse para ello?
4. ¿Habría peligro de daños a los edificios adyacentes? (En capítulos posteriores se demostrará que el descenso del nivel freático bajo un edificio puede ocasionar asentamientos considerables. Resulta por ello, muy importante la cuestión de cómo y durante cuánto tiempo puede hacerse descender el nivel freático).
5 ¿Cuánto se asentaría el edificio terminado? ¿Sería uniforme este asentamiento?
6. ¿Qué esfuerzos y distribución de los mismos deberían considerarse para el proyecto de la placa de cimentación?

Problemas Planteados por el Terreno: Cimentaciones(Zapatas, Pilotes).

Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente debe poseer una cimentación adecuada. 

Cuando el terreno firme está próximo a la superficie, una forma viable de transmitir al terreno las cargas concentradas de los muros o pilares de un edificio es mediante zaparas, como se ilustra en la figura 1.1. Un sistema de zapatas se denomina cimentación superficial. Antiguamente, se empleaban, como zapatas, entramados de madera o metal, capas de grava, etc., aunque actualmente las zapatas son, casi sin excepción, de concreto armado (*).

Fig. 1.1. Edificación cimentación superficial por zapatas.

En España y otros países es más familiar el término hormigón.  (N.T.)

Cuando el terreno firme no está próximo a la superficie, un sistema habitual para transmitir el peso de una estructura al terreno es mediante elementos verticales como pilotes (Fig. 1.2), cajones, o pilas. Estos términos no tienen una clara definición que los distinga unos de otros. En general los cajones y pilas son de mayor diámetro que los pilotes y requieren una técnica particular de excavación, mientras que los pilotes se suelen hincar por golpeo. El peso del edificio se transmite a través del suelo blando hasta una base firme que está debajo, sin que prácticamente ninguna parte de la carga del edificio descanse sobre el terreno blando.

Fig. 1.2. Edificio cimentado sobre pilotes. 

El problema de proyectar con éxito una cimentación es mucho más amplio que la simple fijación de tamaños para las zapatas o la elección del número correcto y el tamaño de los pilotes.

En muchos casos, el costo de la cimentación de un edificio se puede reducir mucho, aplicando al suelo ciertos tratamientos. Por otro lado, algunas estructuras como los depósitos de acero, pueden cimentarse directamente sobre un relleno de suelo especialmente tratado, sin necesidad de recurrir a elementos estructurales. Así pues, la palabra cimentación se refiere tanto al terreno situado bajo la estructura como a cualquier elemento que sirva para transmitir las cargas; es decir, cimentación es todo aquello cuyo comportamiento estudia el ingeniero con el fin de proporcionar un apoyo satisfactorio y económico a una estructura. De hecho, la palabra cimentación se emplea para describir el material que soporta cualquier tipo de estructura como un edificio, presa, terraplén de carretera o aeropista. En el lenguaje moderno, el término cimentación superficial se emplea para describir un sistema constructivo en el que las cargas de la estructura se transmiten directamente al terreno situado bajo la misma, y el de cimentación profunda se aplica a aquellos casos en los que se emplean pilotes, cajones o pilas para transmitir las cargas a un terreno firme situado a cierta profundidad.

En el proyecto de cualquier sistema de cimentación, el problema fundamental es evitar que se produzcan asentamientos suficientemente grandes para dañar la estructura o dificultar sus funciones. La magnitud del asentamiento permisible depende del tamaño, tipo y utilización de la estructura, tipo de cimentación, causa de los asentamientos en el terreno y emplazamiento de la estructura. En la mayoría de los casos, el asentamiento crítico no es el total sino más bien el diferencial o movimiento relativo de dos partes de la estructura.

En la mayoría de las zonas urbanas de los Estados Unidos y Europa Occidental, los propietarios de edificios rehusan aceptar asentamientos superiores a algunos centímetros ya que pueden producirse grietas de aspecto poco agradable, silos asentamientos son mayores. Por ejemplo, la experiencia ha demostrado que asentamientos superiores a unos 12 cm han producido el agrietamiento de los muros de ladrillo y mampostería de los edificios situados en los terrenos del M.I.T.

Sin embargo, cuando las condiciones del terreno son muy malas, los propietarios aceptan algunas veces asentamientos importantes y el agrietamiento consecuente, con el fin de evitar los costos notablemente superiores de las cimentaciones profundas respecto a las superficiales. Por ejemplo, en la línea costera de la ciudad de Santos, en Brasil, se cimientan, directamente sobre suelo blando, edificios de apartamentos de 15 pisos. Asentamientos hasta de 30 cm son frecuentes. Se aprecian grietas en tales edificios, pero la mayoría de ellos permanecen habitados.

Quizás el caso más clásico de malas condiciones de cimentación sea el de la ciudad de México. En ésta, por ejemplo, el edificio del Palacio de Bellas Artes, se mantiene en servicio aunque se ha hundido 3.60 m respecto al terreno circundante. Los visitantes, que antiguamente tenían que subir las escaleras hasta la planta baja. deben bajadas ahora hasta la misma, debido a los grandes asentamientos.
En estructuras que no son de edificación, con frecuencia se suelen tolerar asentamientos importantes. Asentamientos superiores a 0.50 m son bastante habituales en el caso de estructuras flexibles, como depósitos de almacenamiento y terraplene6. Por otra parte, asentamientos de sólo 0.02 cm pueden ser inadmisibles, en el caso de cimentaciones para estaciones de radar y aceleradores nucleares.

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.

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° 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° Obtener datos del suelo deformado y facilitar el diseño de otro pilote.

4° Determinar el comportamiento carga-asentamiento de un pilote, especialmente en la región de carga de trabajo.

5° 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-1143-81. "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.

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.

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.

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).

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).

3  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.

b) Razón de penetración constante.

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.

4  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). 

 

 

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).

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.-

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.

Figura 5.1: SISTEMA DE MARCO DE REACCION PARA PILOTES DE ANCLAJE

Figura 5.2:  PRUEBA DE CARGA CON ANCLAJES ENTERRADOS

Figura 5.3:  SISTEMA DE APLICACION DE CARGA POR GATA HIDRAULICA
ACTUANDO FRENTE A PLATAFORMA CARGADA

Figura 5.4:  SISTEMA DE APLICACION DE CARGA DIRECTAMENTE AL
                    PILOTE USANDO UNA PLATAFORMA CARGADA

 Figura 5.5:   EVALUACION DE ENSAYOS DE CARGA:   a) método de Davisson   b) método de Chin  c) método de De Beer   d) método de Hansen al 90%

Figura 5.6:   EVALUACION DE ENSAYOS DE CARGA:    a) método de Hansen al 80%   b) método de Mazurkiewicz  c) método de Fuller y Hoy y Butler y Hoy    d) método de Vander Veen

Fórmulas de Hincha de Pilotes.

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 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.

Tabla 4.1: Fórmulas Básicas de Hincado de Pilotes (Design Manual DM 7.2, 1982)

a = usar cuando los pesos hincados son menores que los pesos del martillo.

b = usar cuando los pesos hincados son mayores que los pesos del martillo.

c = fórmula de hincado de pilotes basada en la fórmula de Engineering News.

(Qv)ad = carga admisible del pilote en libras.

W = peso del martillo en libras.

H = altura efectiva de caída en pies.

E = energía real liberada por el martillo por golpe en pie-libra.

S = promedio neto de penetración en pulgadas por golpe para las últimas 6 pulgadas del hincado.

WD = pesos hincados incluyendo el pilote.

Nota : la relación de pesos (WD / W) debe ser < 3.

Compresión del Pilote - Asentamientos.

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 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: 

y la compresión elástica del pilote será:

donde Ep es el módulo de Young para el material del pilote en la dirección longitudinal.

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.

Figura 3.5:  METODO SIMPLIFICADO PARA ESTIMAR EL ASENTAMIENTO DEL GRUPO DE PILOTES MEDIANTE LA CIMENTACION PROFUNDA EQUIVALENTE

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

Figura 3.4:  RELACION DEL ASENTAMIENTO DEL GRUPO DE PILOTES AL           ASENTAMIENTO DE UN PILOTE

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 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.

Asentamiento de Pilotes dentro de un Grupo en Arcilla

El asentamiento ρi del pilote i dentro de un grupo puede calcularse de la expresión: 

Donde:

ρi  = asentamiento del pilote i bajo carga unitaria.

Qi  = carga del pilote i.

Qj = carga en el pilote j, donde j es cada uno de los otros pilotes en el grupo, en turno.

αij = es el factor de interacción entre los pilotes i y j. El valor de α depende del espaciamiento de los pilotes y se obtiene de la Figura 3.3. 

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 mas 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.

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. 

Donde

Q = carga en el pilote.

L = longitud del pilote.

Es = módulo de Young del suelo para asentamiento a largo plazo.

                        mv es el valor promedio de la capa y ν es la relación de Poisson:                  

                        0.4 arcilla SC, arcilla

                        NC rígida y 0.2 arcilla NC blanda a firme.

Iρ         =         factor de influencia, obtenido de las Figuras. 3.1 y 3.2.

Debe tenerse cuidado en utilizar sistemas de unidades consistentes.

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.

-Asentamiento de un Pilote Individual en Arcilla.

-Asentamiento de Pilotes dentro de un Grupo en Arcilla

-Asentamiento de un Pilote Individual en Arena o Grava

-Asentamiento de un Grupo de Pilotes en Arena o Grava.

-Un Método Simple para Estimar el Asentamiento de un Grupo de Pilotes

-Compresión del Pilote - Asentamientos.

Capacidad de Carga de Grupos de Pilotes.

1  Eficiencia de Grupo

Este valor está definido por:

2  Suelos Granulares

Los pilotes hincados compactan al suelo granular, aumentando su capacidad portante. Ensayos en modelos han demostrado que los factores de eficiencia de grupo de pilotes hincados en arena pueden llegar hasta 2. En pilotes excavados, la acción de excavación más bien reduce que aumenta la compactación, por lo que el factor de eficiencia de grupo es difícil que sea mayor que 1.

En diseño se usa un factor de eficiencia de grupo de 1 para todo tipo de pilotes en suelo granular.

Esto significa que se ignoran los efectos de grupo al predecir la capacidad portante. Sin embargo, los pilotes excavados deben tener un espaciamiento mayor que 3 diámetros (centro a centro).

3  Suelos Cohesivos

En suelos cohesivos se considera al grupo (pilotes y suelo contenido) como una cimentación profunda; la carga última del grupo se puede evaluar con la ecuación de Meyerhof. Por ejemplo, para un ancho de grupo B1, longitud B2, profundidad D, la carga de falla es:

Donde:

Nc = factor de capacidad de carga de Meyerhof.

λ = factor de forma.

c  = cohesión promedio de la arcilla que rodea al grupo.

La Figura 2.3 presenta los resultados de ensayo en modelos de Whitaker (1957) para grupos de 3 x 3 y 9 x 9. Se puede utilizar como un método alternativo para estimar eficiencias de grupo. Por lo tanto, la carga de falla del grupo es:

donde n es el número de pilotes en el grupo y Qu es la carga de falla de un pilote individual.

4  Pilotes de Punta Hincados al Rechazo

 Debido a que la carga última está limitada por la resistencia del pilote y no por la capacidad

portante del terreno, no existe efecto de grupo.

5  Suelos que Contienen Estratos Blandos

Cuando existen capas de arcilla blanda por debajo de los grupos de pilotes puede ocurrir un sobreesfuerzo, por lo que es necesario realizar una verificación. Se asume que la carga del grupo de pilotes se repartirá como se indica.

a) Pilotes de fricción en arcilla

Se asume que la carga se distribuye como se muestra en la Figura 2.4, de los dos tercios del empotramiento del pilote en el estrato resistente.

b) Pilotes de punta en arena o grava

Se asume que la carga se distribuye como se muestra en la Figura 2.5, a partir de la base de los pilotes.

En cada uno de los casos indicados, para un grupo de pilotes de dimensiones en planta B x L, que soporta una carga Q, el área esforzada del material blando será:

Luego, el esfuerzo en la parte superior del estrato blando será: 

6  Longitudes de Pilotes Cercanos

En tanto sea posible, todos los pilotes de un grupo deben tener aproximadamente la misma longitud.

Cuando se tengan pilotes de diferente longitud, cercanos, es usual diseñar al pilote más corto lo suficientemente largo, de modo que una línea inclinada a 45° de su base no intersecte al pilote vecino más largo. Esto es para evitar que la carga de la punta del pilote corto sea transmitida al pilote largo.

 Figura 2.5: DISTRIBUCION DE CARGA PARA PILOTES DE PUNTA

Fricción Negativa en un Pilote.

La fricción negativa puede ocurrir en los siguientes casos:

a) Un pilote hincado a través  de una arcilla blanda sensible  llega a un estrato relativamente incompresible. El remoldeo de  la arcilla durante el hincado  puede ser suficiente para causar asentamiento. Las arcillas blandas marinas o de estuario pueden ser particularmente susceptibles a desarrollar fricción negativa.

b) Un pilote hincado a  través de una arcilla blanda llega a un estrato relativamente incompresible con sobrecarga en la superficie. Normalmente una arcilla blanda que suprayace a una arcilla dura no tiene problemas. Sin embargo, la carga en la superficie producirá asentamiento que puede generar fricción negativa en el pilote. El drenaje de áreas pantanosas puede tener un efecto similar.

c) Un pilote hincado a través de relleno recientemente colocado llega a un estrato compresible o relativamente incompresible. La fricción negativa resultará de la consolidación del relleno. En rellenos antiguos la fricción negativa disminuye o no existe.

Actualmente es imposible predecir con precisión la fricción negativa que se producirá en un pilote. Sin embargo, la máxima fuerza que se desarrollará por fricción negativa puede evaluarse si se asume la distribución de esfuerzos de fricción propuesta por Tomlinson (1987). Aunque dicho autor diferencia los casos entre estrato compresible e incompresible en la base, el mismo procedimiento puede emplearse en todos los casos con suficiente precisión.

La máxima carga hacia abajo producida por fricción negativa que se permite para propósitos de diseño puede calcularse asumiendo la distribución de esfuerzos mostrada en la Figura 2.2.

La fricción (o adhesión) en los puntos A y B, que corresponden a las resistencias cortantes pico y residual del suelo respectivamente, serán:

donde cp y cr son las resistencias cortantes pico y residual y α es un factor de adhesión, generalmente tomado como 1.

Luego la fuerza hacia abajo en el pilote causada por fricción negativa será: 

donde S es la circunferencia del pilote. 

Cuando se calcula la longitud requerida del pilote, la fricción negativa debe añadirse a la carga permisible.

Los efectos de la fricción negativa pueden reducirse o eliminarse si se protege la sección del pilote dentro del relleno o de la  arcilla blanda. Como alternativa se  puede cubrir el  pilote con una membrana plástica de baja fricción o con una capa de bitúmen. Si se emplea bitúmen debe tenerse mucho cuidado en su aplicación para asegurar que éste se adhiere bien al pilote y tiene un espesor mínimo de 3 milímetros.

 Figura 2.4: DISTRIBUCION DE CARGA PARA PILOTES DE FRICCION