Comportamiento de Grupos de Pilotes.

Anteriormente se ha tratado el comportamiento de los pilotes individuales. Sin embargo, los pilotes casi nunca se usan así, sino coma binados, formando grupos o conjuntos. Los cambios en las condiciones de esfuerzo, así como las alteraciones en la consistencia y compacidad relativa, asociados al hincado de los pilotes anteriores puede tener una influencia apreciable sobre el comportamiento del resto de los pilotes, no sólo durante el hincado, sino también durante el tiempo en que están sosteniendo las cargas a que se sujeten. El comportamiento de un grupo de pilotes puede no estar relacionado directamente al de los pilotes aislados, sujetos a la misma carga por pilote en el mismo depósito.

De particular importancia son las contribuciones relativas de la fricción lateral y de la punta, para la capacidad total de un solo pilote que llega a un estrato firme, en comparación con las contribuciones correspondientes en un grupo de pilotes que llegue al mismo estrato. Cuando se carga un sólo pilote, como en una prueba de carga, una gran parte de su apoyo puede deberlo al suelo que está a lo largo de su fuste, por fricción lateral, aunque el suelo sea relativamente débil y compresible. Si el mismo pilote tiene muchos vecinos, a los que el suelo que lo rodea proporciona apoyo, el esfuerzo acumulado en todo el bloque de suelo en que está encajado el grupo puede tender gradualmente a comprimir el suelo y, por lo tanto, permitir que los pilotes se hundan, cuando menos ligeramente, con lo que una porción mayor de la carga se transmite directamente de los pilotes al estrato firme. En los grupos grandes, la mayor parte de la carga puede, tarde o temprano, quedar apoyada en la punta, cualquiera que sea la magnitud de la fricción lateral, que haya podido desarrollarse a elevaciones mayores alrededor de un solo pilote en una prueba de carga.

Bajo otras condiciones del subsuelo, surgen otras diferencias entre la acción de los pilotes aislados y los grupos de los mismos o la cimentación completa. Estas diferencias se estudian en la parte C en conexión con las cimentaciones en diferentes tipos de suelos.

Utilización de Pilotes de Acero.

Pilotes de acero. Se utilizan mucho como pilotes los tubos de acero, que usualmente se llenan de concreto después de hincados, y los perfiles de acero en H cuando las condiciones requieren un hincado violento, longitudes desusadamente grandes, o elevadas cargas de trabajo por pilote.

Los pilotes de perfiles de acero en H penetran en el terreno más fácilmente que otros tipos, en parte porque desalojan relativamente poco material. En consecuencia, se usan frecuentemente para alcanzar un estrato de gran capacidad de carga a gran profundidad. Si el hincado es difícil, y especialmente si el material superior contiene obstrucciones o gravas gruesas, es probable que los patines se dañen y los pilotes se tuerzan o se doblen. Pueden producirse pocos defectos serios si pueden notarse los síntomas durante el hincado. Cuando las condiciones sugieran la posibilidad de estos daños, las puntas de los pilotes deben reforzarse con medidas tales como la mostrada en la fig. 12.4a. Además, como los pilotes en H sólo se dañan si los esfuerzos de hincado son excesivos, debe darse atención especial al análisis de los esfuerzos dinámicos realizados por medio de la ecuación de la onda. Utilizando estos análisis puede elegirse el martillo, el amortiguador, y el pilote, de manera que formen un sistema compatible en el que, y con la adecuada supervisión de campo, los esfuerzos de hincado puedan mantenerse menores que los que causen daño.

El diámetro de los pilotes de tubo varia usualmente de 25 a 75 cm. El espesor de las paredes rara vez es inferior a 2.5 mm, y usualmente, se hincan tubos con espesores hasta de 4.5 mm con mandril. Si el espesor de las paredes excede de 2.5 a S.2 mm, puede considerarse que el acero participa con el concreto en el soporte de las cargas estructurales. Si los pilotes se hincan con el extremo abierto, deben limpiarse antes de llenarlos de concreto. Ordinariamente, están cerrados en el extremo inferior, casi siempre con una placa, como se muestra en la fig. 12.4b. Los cierres más elaborados, como las puntas cónicas, rara vez presentan ventajas importantes. En unos cuantos suelos, como las arcillas plásticas firmes, debe quitarse la parte volada de la placa. Como los pilotes de tubo pueden revisarse después de hincados, se identifican los pilotes dañados, y, si no es posible repararlos, pueden rechazarse.

Los pilotes de acero están sujetos a la corrosión. El deterioro es usualmente insignificante, si todo el pilote está enterrado en una formación natural, pero puede ser intenso en algunos rellenos debido al oxígeno atrapado. Si los pilotes se prolongan hasta el nivel del terreno, o más arriba del mismo, las zonas inmediatas, arriba y abajo del nivel del suelo son especialmente vulnerables. Además, puede esperarse un ataque intenso entre los niveles de las mareas del agua del mar, y arriba de la alta marea ‘ donde el pilote queda sujeto al ataque de sales. Posiblemente sea necesario consultar especialistas para determinar la posibilidad de daño y para elegir métodos de defensa apropiados. Los recubrimientos epóxicos son efectivos y no se dañan con facilidad con el hincado. Asimismo, una buena protección es recubrir las zonas vulnerables con concreto.



Las especificaciones incluyen usualmente tolerancias sobre la verticalidad y lo recto de los pilotes hincados, pero como cosa práctica, la inspección para juzgar si se ha cumplido con ellas, sólo es posible si los pilotes son huecos. Por lo tanto, los pilotes de tubo y los de acero hincados con mandril pueden inspeccionarse, pero los pilotes de madera, los de sección en H, y la mayor parte de los pilotes de concreto precolados no pueden. No existen evidencias de que una desviación de la verticalidad de 5 o 10 por ciento de la longitud del pilote sea dañina, ni de que una considerable curvatura libre de dobleces bruscos sea perjudicial, aun en suelo blando, si la punta del pilote queda dentro de los límites establecidos para la verticalidad. Como muchos pilotes que no pueden inspeccionarse, indudablemente se han desviado mucho de su posición teórica y sin embargo se han aceptado, es irrazonable imponer penas por restricciones demasiado severas para los pilotes que es posible examinar.

Figura 12.4 a) Refuerzo para la punta de pilote H b) Placa para cerrar la punta de un pilote de tubo.

Pilotes de Concreto: Categorías Principales.

Poco después de 1900, se idearon varios tipos de pilotes de concreto. Desde entonces, han aparecido numerosas variantes, y en la actualidad se dispone de una gran variedad de pilotes entre los cuales el ingeniero puede elegir el que mejor se adapte a una obra determinada. Los pilotes de concreto pueden dividirse en dos categorías principales, colados en el lugar y precolados. Los colados en el lugar pueden subdividirse en pilotes con y sin ademe.

El concreto de un pilote con ademe se cuela dentro de un molde, que usualmente consiste en un forro de metal o tubo delgado que se deja en el terreno. El forro puede ser tan delgado que su resistencia se desprecia al valuar la capacidad estructural del pilote, pero, sin embargo, debe tener la resistencia suficiente para que no sufra colapso bajo la prtsión del terreno que lo rodea antes de que se llene con concreto. Los forros muy delgados y los tubos no pueden hincarse sin estar soportados en el interior por un mandril, que en sí es una fuente de gastos y, cuando menos a veces ocasiona dificultades de construcción. De los diferentes tipos de pilotes de concreto hincados con mandril que se usan en Norte América, tres se ilustran en las figs. 12.2a a 12.2c. El pilote mostrado en la fig. 12.2d es una modificación de un pilote sin ademe y se describe en el parrafo siguiente. El forro mostrado en la fig. 12.2e es lo suficientemente grueso como para permitir que el pilote se hinque sin mandril.

La supresión del ademe o forro reduce el costo de los materiales que se utilizan en el pilote; por lo tanto, hay incentivos económicos en el desarrollo de pilotes sin ademe. Varios de los primeros tipos se formaron hincando un tubo abierto en el terreno, limpiándolo, y llenando la per foración de concreto al ir sacando el tubo. Estos pilotes, frecuentemente tenían imperfecciones y aun discontinuidades, y actualmente se emplean medios mis convenientes para asegurar la continuidad del concreto. Por ejemplo, al formar el pilote sin ademe tipo Franki (fig. 12.2f), se deja caer directamente un martinete de gravedad en una masa de concreto en la parte inferior del tubo de hincado; el rozamiento entre el concreto y el tubo, hinca el tubo en el terreno. Cuando se ha alcanzado la profundidad necesaria, se levanta ligeramente el tubo de hincado y se sostiene para que no penetre más al alimentar concreto, en tanto que el martillo sigue golpeando para que e] concreto penetre en el suelo y forme un pedestal. Luego se saca el tubo progresivamente mientras se inyectan cantidades adicionales de concreto, compactándolo para ir formando el fuste del pilote, que presenta una superficie exterior áspera donde queda en contacto con el suelo. La variante con ademe (fig. 12.2d) se forma de la misma manera hasta que se crea el pedestal. Luego, se inserta un forro de acero corrugado en el tubo para hincar, se coloca un tapón de concreto en el fondo del forro, sobre el pedestal, y se hinca para que arrastre al forro dentro de la parte superior del pedestal aun sin fraguar. Se saca el tubo para hincar y el resto del forro se llena de concreto.

La instalación de pilotes colándolos en perforaciones previas en vez de hincarlos, es semejante a la de las pilas y se trata en el cap. 13. Existen varios tipos hibridos, tales como los que se forman bombeando concreto a presión a través del vástago hueco de una barrena, con la cual se ha perforado, en tanto que la barrena se va extrayendo del suelo.

Al elegir entre la gran variedad de pilotes colados en el lugar, el ingeniero necesita tener un conocimiento detallado, sobre las caracteristicas y dimensiones de los pilotes disponibles, y una actitud escéptica hacia todas las operaciones realizadas en condiciones en las cuales no es posible hacer una inspección directa. Ese conocimiento puede obtenerse parcialmente de los propios contratistas de pilotes.

Los pilotes precolados de concreto se fabrican de muchas formas. Un tipo usado comúnmente para los caballetes de los puentes, y ocasionalmente en los edificios, se ilustra en la fig. 12.3a. Estos pilotes deben reforzarse para soportar el manejo hasta que están listos para hincarse, y deben estar reforzados para resistir los esfuerzos causados por el hincado, Si se ha  subestimado la longitud necesaria, resulta muy difícil prolongarlos. Si la longitud se ha sobrestimado, el cortarlos es caro. Por el contrario, los pilotes seccionales precolados (fig. 12.3b) pueden variar su longitud fácilmente.

Los pilotes precolados pueden ser también preesforzados. Con el preesforzado se trata de reducir las grietas producidas por tensión durante su manejo e hincado, y de proporcionar resistencia a los esfuerzos de flexión. Los pilotes preesforzados de una pieza tienen las mismas desventajas que los pilotes ordinarios, si sus longitudes se estiman mal. Los pilotes preesforzados seccionales (fig. 12.3c), obvian esta dificultad. Se han desarrollado pilotes huecos ciIndricos preesforzados de concreto centrifugado, con diámetros hasta de 1.5 m o más, y espesor de paredes de 10 a 15 cm, para elevadas capacidades; se usan bastante para pilas de puentes.

Como la mayor parte de las variantes de los pilotes de concreto pueden hincarse hasta alcanzar una alta resistencia sin daño, usualmente es posible asignarles mayores cargas admisibles que a los pilotes de madera (tabla 12.1). Bajo condiciones ordinarias no están sujetos a deterioro y pueden usarse arriba del nivel del agua freática. Elevadas concentraciones de sales de magnesio o de sulfato de sodio (más de 1000 ppm de SO3 en el agua de los poros) pueden producir deterioro y requerir precauciones especiales o la selección de un material diferente. Las sales en el agua de mar y la humedad marina, atacan el refuerzo en los pilotes a través de las grietas en el concreto; al forrnarse el óxido, el concreto se desconcha. La mejor protección contra ello es usar un concreto que sea denso y de alta calidad. El deterioro de los pilotes de Concreto preesforzado no es tan rápido, porque las grietas de tensión se reducen al mínimo.

FIGURA 12.2 Ejemplos de pilotes colados en el lugar a) Pilotes Raymond cónicos escalonados hincados con mandril b) Pilotes Armco de tubo de pared delgada, hincados con un Vástago con el extremo cerrado por una punta precolocada c) Pilotes tipo Cobi, cilíndricos, corrugados. de paredes delgadas, hincados con mandril que se aprieta contra el tubo por medio de aire comprimido d) Pilote ademado de Franki hincado por medio de un martinete de gravedad que cae en el concreto fresco que está dentro del ademe e) Pilote Union Metal Monotube que se hinca sin mandril f) Pilote Franki no ademado.


Figura 12.3 Ejemplo de Pilotes Precolocados.


Tabla 12.1 Variación Ordinaria de las Cargas de Trabajo en Pilotes Hincadosº

Función de los Pilotes.

Cuando el suelo situado al nivel en que se desplantaila normalmente una zapata o una losa de cimentación, es demasiado débil o compresible para proporcionar un soporte adecuado, las cargas se transmiten a material más adecuado a mayor profundidad por medio de pilotes o pilas. La diferencia entre estos elementos es algo arbitraria. Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal pequeña, comparada con su longitud, y usualmente se instalan utilizando una piloteadora que tiene un martinete o un vibrador. A menudo se hincan en grupos o en filas, conteniendo cada uno suficientes pilotes para soportar la carga de una sola columna o muro. Las pilas, por otra parte, tienen usualmente una sección transversal mayor, siendo cada una de ellas capaz de transmitir toda la carga de una sola columna al estrato de apoyo. Las pilas se tratan mas adelante.

Las columnas con poca carga pueden, en algunos casos, necesitar un solo pilote. Sin embargo, ya que en las condiciones del trabajo de campo, la posición real de un pilote puede quedar a varios centímetros de la posición proyectada, dificilmente pueden evitarse las cargas excéntricas. En consecuencia, las cabezas de los pilotes aislados usualmente se arriostran en dos direcciones por medio de contratrabes (fig. 121a). Si sólo se necesitan dos pilas, las cabezas se unen con un cabezal de concreto, siendo arriostradas solamente en una dirección, perpendicular a la línea que une los dos pilotes (fig. 12.1 b). Los grupos que contienen tres o más pilotes están provistos de cabezales de concreto reforzado, como se muestra en la fig. 12.1 c, y se consideran estables sin apoyarlos con contratrabes.

También pueden usarse pilotes verticales para resistir cargas laterales; por ejemplo, debajo de una alta chimenea sujeta al viento. Comparada con la capacidad axial, la capacidad lateral es usualmente pequeña. Cuando es necesario soportar grandes cargas laterales, pueden usarse pilotes inclinados (fig. 12. 1d). Las inclinaciones de 1 horizontal a 3 vertical representan aproximadamente la mayor inclinación que puede obtenerse con el equipo ordinario para hincado. La economía favorece usualmente las menores inclinaciones, aunque tenga que usarse un mayor número de pilotes.

Figura 12.1 a) Pilote individual soportado por contratrabes en dos direcciones. 
b) Grupo de dos pilotes apoyado en contratrabes en la dirección débil. 
c) Cabezal sin apoyo lateral para un grupo de tres pilotes 
d) Uso de pilotes inclinados para muros de contención.

Pilas de Cimentacion - Métodos de Construcción.

Generalidades.
Los métodos para construir pilas se dividen en dos grupos principales. En uno, se excava un agujero hasta el nivel de desplante de la cimentación y se construye la pila dentro del mismo. Usualmente, los lados de la excavación deben ademarse y apuntalarse para evitar el derrumbamiento. Estas perforaciones se dicen ademadas o entibadas, lo que depende de que el ademe se forme con forros metálicos cilíndricos o sea de tableros o de tablestaca . Algunas veces, se estabiliza la perforación por medio de un líquido espeso en vez de ademe. Si la superficie del terreno está debajo del agua, la estructura que encierra el terreno que va a ocupar la pila se llama ataguía. Bajo la protección de la atagula se hace la excavacion hasta el nivel deseado y se construye la pila.

El otro método para construir pilas es utilizando cajones. Los cajones son cajas o cilindros que se hincan hasta su posición y constituyen la parte exterior de la pila de cimentación terminada. Para facilitar el hincado, el borde inferior del cajón está provisto de una cuchilla. El material que está dentro del cajón se extrae por dragado a través de la abertura en su extremo superior, o excavando a mano. El extremo inferior del cajón puede construirse formando una camara hermetica y llenarse con aire comprimido para expulsar el agua de un espacio en el que los obreros puedan trabajar. Este procedimiento se conoce con el nombre de método del aire comprimido y permite quitar los obstáculos que quedan debajo de la cuchilla y facilita la limpieza del fondo de la excavación. Sin embargo, es un riesgo para la salud de los trabajadores y debe evitarse cuando sea posible.

Pilas de Cimentación: Definiciones.

Definiciones

En la ingeniería de cimentaciones el término pila tiene dos significados diferentes. De acuerdo con uno de sus usos, una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple una zapata, es decir, transmitir la carga a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni de que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad de la cimentación al ancho de la base de las pilas es usualmente mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es comúnmente menor que la unidad.

De acuerdo con su segundo uso, una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente. Usualmente, la pila sobresale de la superficie del terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición, puede considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada en una cimentación adecuada. Para evitar confusión, se usará el término de cuerpo de la pila para la parte que queda arriba de la cimentación. La base de ese cuerpo puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar apoyada en pilotes, o sobre  varias pilas de cimentación, como se definió en el párrafo anterior. Un cuerpo de pila, situado en el extremo de un puente y sujeto al empuje de la tierra, se denomina un estribo.

No existe una clara diferencia entre las pilas de cimentación y los pilotes. Los tubos de acero de gran diametro que se hincan con el extremo inferior abierto, que se limpian después y se llenan de concreto, pueden en realidad considerarse como pilas o como pilotes. Los mismos tubos pueden considerarse como ademes o como cajones o cilindros de cimentación. La terminologla a este respecto difiere mucho en las diferentes localidades.

Cargas Laterales y Cargas hacia Arriba en las Cimentaciones de Pilotes.

Muchos tipos de estructuras apoyadas en pilotes están sujetas a cargas laterales aplicadas a una elevación considerablemente mayor que la de la base de la cimentación. Por lo tanto, la cimentación debe resistir no solamente fuerzas laterales sino también momento. Debajo de estructuras como muros de compuertas, muros de sostenimiento, y edificios ordinarios, las cargas hacia abajo en los pilotes, debidas al peso de la estructura son usualmente mayores que las cargas hcia arriba debidas al momento causado por las fuerzas laterales, y no se requiere ningún pilote para resistir la subpresión. Por otra parte, los pilotes situados del lado de sotavento de las torres altas de acero o depósitos para almacenar gas del tipo de pistón, puede considerarse que producen una reacción que contrarresta las fuerzas hacia arriba. Finalmente, puede requerirse que los pilotes resistan la subpresión debida a la flotación de tanques y estructuras semejantes, situadas abajo del nivel freático.

Cuando deben transmitirse cargas laterales sobre una estructura al subsuelo por una cimentación de pilotes, una de las principales decisiones que debe tomar el proyectista es de si deben instalarse o no, algunos pilotes inclinados. Esta decisión requiere una estimación de la capacidad de los pilotes verticales para soportar cargas horizontales. Si el suelo bajo de los cabezales de los pilotes es arena, cualquiera que sea su compacidad relativa, limo o arcilla que tenga un valor de N mayor que 5, es razonable permitir una carga horizontal en la cabeza de cada pilote hasta de 700 kg. En los suelos más compactos o firmes pueden resistirse mayores cargas, pero no debe tomarse la decisión de usar valores más altos sin hacer un estudio cuidadoso de las condiciones del subsuelo y de las necesidades estructurales.En algunas condiciones, puede haber una tendencia a que los suelos en que están embebidos los pilotes se muevan lateralmente bajo la influencia de fuerzas laterales diferentes de las que origina la superestructura. Por ejemplo, el suelo que rodea los pilotes puede estar involucrado en una falla de talud. Si tal tendencia existe, no puede contarse con que los pilotes verticales resistan el movimiento, sino que debe esperarse que se muevan juntos con el suelo que los rodea. Debe entonces atenderse a las causas de la inestabilidad lateral del suelo.

Cuando la carga horizontal por pilote excede de la que puede ser soportada unicamente por pilotes verticales, es necesario usar pilotes inclinac’os en combinación con los verticales. Son comunes los pilotes inclinados debajo de los muros de contención (fig. 12.ld), en las pilas de puentes, y en los estribos. Se usan también para proporcionar estabilidad lateral en las filas transversales de pilotes, llamadas caballetes, que constituyen los apoyos verticales para los puentes (fig. 12.1.). Si tanto los pilotes verticales como los inclinados, situados debajo de una estructura se apoyan por punta y si todos están hincados hasta el mismo estrato, se supone generalmente que la capacidad axial de cada uno de ellos es la misma. Entonces, se considera que la carga horizontal por pilote inclinado, es la componente horizontal de la carga axial. Si los pilotes son de fricción y de la misma longitud, usualmente se hace la misma suposición.

La resistencia de los pilotes a la subpresión depende de muchos factores, como el tipo, dimensiones, resistencia a la tensión de los pilotes y las condiciones del subsuelo. Es evidente que solamente la fricción lateral puede ser efectiva para resistir las cargas hacia arriba. En la Parte C se estudiará la resistencia a la subpresión para varias condiciones.

Figura 12.13 Uso de pilotes inclinados en el cabellete de un puente.



Elección del Tipo de Pilote.

La elección final del tipo de pilote para una obra la dictan las condiciones del subsuelo, las características de hincado de los pilotes, el probable comportamiento de la cimentación, y la economía. Las comparaciones económicas deben basarse en el costo de toda la cimentación y no únicamente en el costo de los pilotes. Por ejempio, el costo de doce pilotes de madera con 18 toneladas de capacidad cada uno, puede ser menor que el de cuatro pilotes de concreto de 54 toneladas, pero el mayor tamaño del cabezal necesario para transmitir la carga de la columna a los pilotes de madera, puede aumentar el costo de la cimentación con éstos, hasta ser mayor que el de la cimentación con pilotes de concreta.

Grupos de Pilotes - Comportamiento con Cargas Verticales.

En el desarrollo anterior solamente se ha tratado el comportamiento de los pilotes individuales. Sin embargo, los pilotes casi nunca se usan así, sino combinados, formando grupos o conjuntos. Los cambios en las condiciones de esfuerzo, así como las alteraciones en la consistencia y compacidad relativa, asociados al hincado de los pilotes anteriores puede tener una influencia apreciable sobre el comportamiento del resto de los pilotes, no sólo durante el hincado, sino también durante el tiempo en que están sosteniendo las cargas a que se sujeten. El comportamiento de un grupo de pilotes puede no estar relacionado directamente al de los pilotes aislados, sujetos a la misma carga por pilote en el mismo depósito.

De particular importancia son las contribuciones relativas de la fricción lateral y de la punta, para la capacidad total de un solo pilote que llega a un estrato firme, en comparación con las contribuciones correspondientes en un grupo de pilotes que llegue al mismo estrato. Cuando se carga un sólo pilote, como en una prueba de carga, una gran parte de su apoyo puede deberlo al suelo que está a lo largo de su fuste, por fricción lateral, aunque el suelo sea relativamente débil y compresible. Si el mismo pilote tiene muchos vecinos, a los que el suelo que lo rodea proporciona apoyo, el esfuerzo acumulado en todo el bloque de suelo en que está encajado el grupo puede tender gradualmente a comprimir el suelo y, por lo tanto, permitir que los pilotes se hundan, cuando menos ligeramente, con lo que una porción mayor de la carga se transmite directamente de los pilotes al estrato firme. En los grupos grandes, la mayor parte de la carga puede, tarde o temprano, quedar apoyada en la punta, cualquiera que sea la magnitud de la fricción lateral, que haya podido desarrollarse a elevaciones mayores alrededor de un solo pilote en una prueba de carga.

Bajo otras condiciones del subsuelo, surgen otras diferencias entre la acción de los pilotes aislados y los grupos de los mismos o la cimentación completa. Estas diferencias se estudian en la parte C en conexión con las cimentaciones en diferentes tipos de suelos.

Pruebas de carga en los Pilotes

Las diversas variables que influyen en el comportamiento de un pilote bajo carga y la naturaleza compleja de los fenómenos envueltos, han llevado a la técnica de efectuar pruebas de carga en uno o más pilotes en el lugar de las obras importantes Los pilotes de prueba, deben ser preferentemente del mismo tipo, e hincados con el mismo equipo, y con los mismos requisitos que se pretenden establecer en la obra. En alguno’ casos, se investigan algunas alternativas que permitan refinar el proyecto.

Todos los detalles pertinentes del equipo y del procedimiento se registran durante el hincado del pilote de prueba, incluyendo los golpes para una penetración dada, preferentemente en toda la longitud de hincado.

Cualquier interrupción en el hincado, como por descompostura del equipo o para empalmar el pilote, debe anotarse.

La carga se aplica usualmente en incrementos por medio de un gato hidráulico apoyado contra un peso muerto o contra un yugo sujetado a un par de pilotes de anclaje, fig. 12.7. A cada incremento, se observa el hundimiento de la cabeza del pilote en función del tiempo, hasta que la rapidez del hundimiento sea muy pequeña. Se aplica luego otro incremento. Al aproximarse a la capacidad de carga, el tamaño de los incrementos se disminuye, con objeto de poder apreciar más precisamente cuando se llega a la capacidad de carga del pilote. Se mide la altura de la cabeza del pilote cuando se quita la carga.

En la fig. 12.8, se muestran los resultados de una prueba de carga típica, en la que la carga total se dibuja en función del hundimiento de la cabeza del pilote. La curva a representa un pilote que se deslizó o hundió súbitamente, cuando la carga alcanzó un valor definido llamado carga última o capacidad del pilote. Por otra parte, las curvas b y c no muestran quiebres bien definidos; en consecuencia, la determinación de la carga máxima del pilote es en cierto grado cuestión de interpretación. Un procedimiento razonable (Davisson, 1972) que considera las variables importantes se ilustra en la figura. La deformación elástica del pilote se calcula por medio de la ex presión PL/AE, y se dibuja en el diagrama de carga-asentamiento como línea 00’; para la mejor interpretación, las escalas del diagrama deben elegirse de manera que la pendiente de 00’ sea aproximadamente de 20°. La línea auxiliar CC’ se dibuja paralela a 00’, con una intersección en el eje de los asentamientos igual a (0.381 + 0.833 d) cm, en la que d es el diámetro del pilote en m La intersección es una medida del asentamiento en la punta, necesario para que adquiera la capacidad. La carga última se define como aquélla en la que la línea CC’. corta a la curva carga- asentamiento. Este criterio es aplicable a los registros de carga-asentamiento obtenidos de pruebas en las que cada incremento de carga se sostiene durante periodos que no excedan de 1 hr. Sin embargo, los registros de carga-asentamiento basados en periodos de espera de 24 hr o más largos resultan demasiado conservadores, pues dan tiempo a que se desarrollen efectos de creep o asentamientos por consolidación, que pueden llegar a ser porciones importantes del total.

Los procedimientos detallados para efectuar pruebas de carga y para deducir de ellas las capacidades últimas o las cargas de trabajo, han sido estandarizados por varias organizaciones (ASTM D-1 143) y se han incorporado a varios reglamentos de construcción. Algunos de los procedimientos son bastante elaborados. El costo de una prueba de carga depende en gran parte de su duración, especialmente si el trabajo se retrasa mientras se esperan los resultados. Las especificaciones en que se requiere se mantenga la carga final (que usualmente es igual al doble de la carga de proyecto) durante varios días, rara vez se justifican. En la mayor parte de los casos, el funcionamiento bajo el doble de la carga de proyecto en 24 hr o más, puede juzgarse aplicando 2.25 veces la carga de proyecto durante 1 hora.

Una prueba de carga puede proporcionar datos con respecto a las características carga-asentamiento y de capacidad de un pilote, solamente en el tiempo y bajo las condiciones de la prueba. Numerosos factores pueden conducir a un comportamiento diferente de un pilote semejante, cuando esté colocado debajo de una estructura real. Este tema se tratará en el siguiente subtítulo y, con más detalles, en la Parte C. Además de la información que una prueba de carga proporciona con respecto a la validez de las suposiciones hechas en el proyecto, también proporciona una coma probación útil y frecuentemente necesaria sobre la bondad del equipo y de los procedimientos que se usan en el campo durante la construcción.


Figura 12.7 Instalación para hacer una prueba de carga sobre  un pilote, usando pilotes de anclaje.
 
 
Fig. 12.8 Resultados típicos de pruebas de carga en a) pilote de fricción b) pilote de punta c) pilote mixto.
 

Pilotes Individuales - Comportamiento de los Pilotes con Cargas Verticales.

Los pilotes se clasifican comúnmente en pilotes de punta y de fricción. Los pilotes de punta obtienen casi toda su capacidad de carga de la roca o suelo que está cerca de la punta, y muy poca del suelo que rodea su fuste. Por otra parte, un pilote de fricción adquiere su capacidad de carga principalmente del suelo que lo rodea, por la resistencia al corte que se desarrolla entre el suelo y el pilote. El suelo que está cerca del extremo inferior del pilote soporta un porcentaje muy pequeño de la carga.

En contraste con las condiciones relativamente sencillas de apoyo que implica la clasificación de los pilotes en estas dos categorías, la manera en que realmente estan apoyados no es tan sencilla. Por ejemplo, en muchos casos que presenta la naturaleza, la rigidez o compacidad relativa del subsuelo, aumenta en general con la profundidad. Los pilotes pueden hincarse a través de las capas blandas superiores y a través de los mantos progresivamente más duros hasta alcanzar la capacidad necesaria. Estos pilotes obtienen una parte apreciable de su apoyo del material que los rodea, especialmente en la porción inferior de su longitud, pero también pueden obtener un apoyo considerable, de la capacidad de carga en su punta.

Una de las decisiones técnicas más importantes en conexión con cualquier trabajo en el que vayan a usarse pilotes, es la elección del tipo más apropiado para las circunstancias particulares de cada caso. Intervienen muchos factores para llegar a la decisión final, incluyendo el comportamiento durante el hincado. Por lo tanto, parece improbable que puedan formularse reglas definidas sencillas que proporcionen una guía segura al ingeniero inexperto. Sin embargo, poseer un concepto claro de la manera en que los pilotes de las diferentes características transmiten su carga al suelo bajo condiciones de trabajo, es una valiosa adquisición que puede servir de base para el desarrollo de un buen criterio a medida que el ingeniero acumula la experiencia.

A los pilotes de punta rodeados de suelo, algunas veces se les considera erróneamente como columnas libremente apoyadas sin que el suelo que las rodea les dé apoyo lateral. Sin embargo, tanto la experiencia como la teoría han demostrado ampliamente que no existe peligro de flexión trasversal en un pilote de punta, de las dimensiones convencionales, cargado axialmente por soporte lateral inadecuado, aunque esté rodeado por los suelos más blandos. Por lo tanto, los esfuerzos en esos pilotes, bajo las cargas de trabajo, pueden tomarse como las de los materiales de que están hechos cuando se sujetan a compresión directa. En los pilotes cuya sección disminuye con la profundidad, la sección crítica está en la punta. Los esfuerzos de trabajo en el concreto colado en el lugar, no deben exceder de 0.25 a 0.33 fc’ siendo fc’ la resistencia a la compresión simple del concreto a los 28 días, medida en cilindros. La parte inferior del intervalo de valores debe usarse en los pilotes en los cuales el colado del concreto sea difícil; es decir, cuando la punta sea de diámetro pequeño, las paredes laterales del forro contengan irregularidades, se requiera refuerzo, o el pilote sea inclinado. En los pilotes preesforzados debe dejarse un margen para la cantidad de preesfuerzo. Los esfuerzos de trabajo en las puntas de los pilotes de acero se limitan ordinariamente a 900 kg/cm2.

Para tener la seguridad de obtener la resistencia necesaria en el Concreto de los pilotes colados en el lugar, debe controlarse el revenimiento entre los limites de 7.5 y 15 cm o más. Para los tubos lisos hincados verticalmente, es conveniente un revenimiento de 9 cm; por otra parte, en un pilote inclinado, o en un pilote vertical con forro corrugado o con refuerzo, el revenimiento debe ser de 15 cm cuando menos.

Una vez que se ha satisfecho el requisito de que el material de la punta no se sujete a esfuerzos excesivos, la capacidad de un pilote de punta, depende completamente de la capacidad del material sobre el cual la punta encuentra apoyo y del grado en que la punta tenga un asiento satisfactorio sobre o dentro del material resistente. Si el estrato resistente no es extremadamente rígido, como lo seria una roca sana o una toba firmemente cementada, sino en contraste, se trata de un depósito de gran espesor, pero no demasiado resistente, es conveniente considerar dos tipos de pilotes. Un pilote con punta de pequeño diámetro, pero de un tipo capaz de transmitir los esfuerzos de hincado a la punta sin excesiva pérdida de energía, es probable que penetre mucho en el estrato firme, y desarrolle una alta capacidad combinando el apoyo directo de la punta con una fricción intensa en la zona embebida. La contribución de la fricción se aumentaría mucho, si la parte inferior del pilote tuviera una conicidad uniforme.

La otra alternativa, si el estrato de apoyo no es excepcionalmente firme, es un pilote con una punta muy grande. La punta puede ser una placa o de concreto precolado, o bien tener la forma de una ampliación o pedestal, hecho inyectando concreto fresco en el suelo blando que quede directamente arriba del estrato de apoyo. La capacidad de tal pilote no puede aumentarse por ningún efecto de cuña, porque la penetración del pilote en el estrato resistente, está gobernada enteramen te por la capacidad y compresibilidad del suelo sobre el cual se apoya el propio pilote. Los pilotes de punta acampanada son más útiles en los materiales granulares sueltos; son también adecuados, si el estrato resistente es muy firme pero tan delgado que los pilotes de pequeño diámetro pueden atravesarlo.

El término pilote de fricción es algo incorrecto, ya que implica que las fuerzas de corte entre el pilote y el suelo, provienen necesariamente del rozamiento; pueden provenir también de la adherencia. En cualquier caso, la capacidad de los pilotes de fricción depende de las características del material que rodea al pilote.

Por lo tanto, como regla general, la resistencia estructural de un pilote de fricción cargado axialmente no gobierna su proyecto. Si un pilote de fricción tiene lados paralelos, la carga se transmite del pilote al suelo exclusivamente por corte. Si el pilote tiene conicidad, una porción de la carga se transmite por apoyo directo, pero todavía la mayor parte se transmite por corte. Si los pilotes se hincan en arcilla blanda, la fuerza cortante proviene principalmente de adherencia, y la diferencia de capacidad de carga entre los pilotes de costados paralelos y los cónicos es relativamente pequeña. Sin embargo, en los suelos que tienen una resistencia friccionante apreciable, como las arenas, limos y arcillas que contengan aire, el efecto de cuña de un pilote cónico, aumenta la presión lateral y aumenta la resistencia esfuerzo al cortante correspondientemente. Por lo tanto, un pilote cónico puede ser ventajoso en esas circunstancias. Por ejemplo, las cargas ligeras pueden ser soportadas eficientemente en pilotes de madera cortos en arena suelta.

El estudio anterior sirve de base para comprender de manera general, la forma en que los pilotes individuales soportan sus cargas y da alguna indicación con respecto a los tipos más adecuados de pilotes para condiciones específicas.

Pilotes: Perforación previa al hincado.

Cuando se hincan los pilotes a través de arcilla plástica saturada, desalojan un volumen de suelo que puede ser igual al de los pilotes. Este desalojamiento usualmente produce una elevación del terreno que puede levantar las estructuras adyacentes o los pilotes ya hincados. Si la capacidad de carga de los pilotes depende de que éstos se apoyen en un manto firme debajo de la arcilla plástica, la elevación puede producir mermas en la capacidad de carga; en muchos casos, pueden rehincarse los pilotes que se han levantado para darles un apoyo firme.

El desplazamiento de material puede producir no s6lo elevaciones del terreno, sino también movimientos laterales perjudiciales, especialmente si hay excavaciones adyacentes con profundidades mayores a aquéllas en que se hincan los pilotes. Si los pilotes son del tipo compuesto, de elevación puede producir separación en las uniones.

Cuando hay la posibilidad de que los desalojamientos sean perjudiciales, éstos pueden reducirse bastante quitando parte del suelo en el espacio que va a ocupar cada pilote. Esto se hace perforando previamente con una herramienta cortadora o con una máquina rotatoria combinada con chiflones de agua que transforman la arcilla en la que va a hincarse el pilote, en un lodo espeso. A estos procedimientos se les llama de perforación previa.

Pilotes: Chiflones, Barrenas y Pulsetas.

Si los pilotes deben atravesar estratos compactos de arena o grava, con objeto de pasar a depósitos inferiores suaves, puede aflojarse la arena o la grava con chiflones. En este procedimiento, se descarga un chorro de agua cerca de la punta o a los costados del pilote con un tubo de 5 a 7.5 cm de diámetro. La bomba para los chiflones debe ser capaz de descargar 1890 it/mm, a una presión de 10 a 15 kg/cm2. El agua afloja la arena y la hace movediza, de manera que el pilote puede fácilmente atravesarla.

El uso de barrenas rotatorias, con equipo especialmente adaptado, es útil para penetrar en semejantes depósitos as como en suelos firmes o duros cohesivos a profundidad considerable.

Los estratos relativamente delgados de arcillas firmes o de roca blanda a poca profundidad, pueden atravesarse algunas veces con pulsetas, es decir, puntas duras de metal que se clavan en el terreno y se sacan antes de introducir los pilotes. El uso de chiflones y barrenas son técnicas relativamente comunes mientras que e] de la pulseta es más raro.

Pilotes: Resistencia al hincado.

Los pilotes que se hincan por medio de martinetes de impacto, ordinariamente se clavan hasta obtener una resistencia que se mide por el número de golpes necesarios para la penetración en los últimos dos o tres centímetros. Para los pilotes de madera hincados con martinetes de vapor que aplican una energía del orden de 2000 kg-m, este número final de golpes, no debe ser mayor de 3 o 4, para reducir el peligro de romper o de astillar los pilotes. Además, es probable que el daño sea menor si se hincan con un martinete diesel, aun con la misma energía. Comúnmente, se especifican resistencias de 6 a 8 golpes en los últimos 2 o 3 cm para los pilotes de concreto y acero. El especificar más de 10 golpes usualmente es un requisito excesivo.

Piloteadoras vibratorias.

Los pilotes también se hincan valiéndose de generadores de fuerza que consisten en un peso estático y en un par de pesos excéntricos que giran en sentido contrario (fig. 12.6), dispuestos de manera que las componentes horizontales de la fuerza centrífuga se anulen entre si, mientras que las componentes verticales son aditivas. La parte vibratoria de la máquina se une positivamente a la cabeza del pilote que se va a hincar, pero el resto de la máquina se aísla del vibrador por medio de muelles, de manera que no participe en los movimientos vibratorios. La fuerza pulsante facilita la penetración del pilote bajo la influencia del peso que actúa constantemente hacia abajo.

Figura 12.6 Croquis de una piloteadora vibratoria.


Las piloteadoras vibratorias difieren entre sí en el tipo de fuerza motriz y en la frecuencia de la fuerza pulsante. Las piloteadoras de baja frecuencia funcionan ordinariamente a una frecuencia constante en el intervalo de 10 a 30 Hz. Si la frecuencia puede hacerse igual a la frecuencia natural del sistema formado por el pilote, la piloteadora, y el suelo, al aparato se le llama piloteadora resonante. Por lo tanto, la frecuencia de una piloteadora resonante debe ser ajustable. La frecuencia resonante queda a menudo dentro del intervalo de 50 a 150 Hz. Cuando el sistema está en resonancia, el pilote sufre desalojamientos energéticos hacia arriba y hacia abajo, limitados solamente por el amortiguamiento que proporciona el suelo vecino. En estas condiciones, casi todo el peso hacia abajo de la piloteadora y del pilote resultan efectivos para hacer que la punta del pilote penetre en el material inferior. La penetraci&n puede ser muy rápida, a menos que la resistencia a la penetracion de la punta, exceda al peso del conjunto hincador. Debido a que el tirón de la grúa (fig. 12.6) puede superar los pesos del equipo y a que, por supuesto, no existe resistencia de punta, las piloteadoras vibratorias son extractores muy efectivos.

Construcción Pilotes: Martillos de impacto.

Originalmente, las piloteadoras estaban equipadas con martillos que caían desde el extremo superior de las guías a la cabeza del pilote. Ocasionalmente, se usan todavía aparatos de este tipo, martillos de gravedad o de caída libre, pero la mayor parte de los martillos de impacto son del tipo de vapor o de diesel. Sin embargo, en la construcción de los pilotes Franki, se usan martillos de gravedad que caen sobre el concreto fresco (figs. 12.2d y 12.2f).

Los martinetes de vapor tienen un martillo que es levantado por la presión de éste y se deja caer por gravedad, con o sin la ayuda de la presión del vapor. Puede sustituirse el vapor por aire comprimido. Si la caída se debe solamente a la gravedad, el martinete se llama de acción sencilla (fig. 12. 5a). Si la presión del vapor o del aire se suma a la energía hacia abajo, el martinete, dependiendo de los detalles de su construcción, se llama de doble acción o diferencial. También se usan martinetes hidráulicos de acción diferencial.

El martillo de los martinetes del tipo Vulcan (tabla 12.2), como el martinete de acción sencilla mostrado en la fig. 12.5a, golpea un amortiguador colocado en la base del martinete.

El objeto original del amortiguador era prolongar la vida del martillo reduciendo los esfuerzos de impacto. En otros martifletes, notablemente en el tipo MKT, el martillo pega directamente en la base o yunque. La cabeza del mismo pilote está protegida por un cabezote para hincar, suspendido de la base del martinete y sus dimensiones están de acuerdo con las del pilote. Entre el cabezote y el pilote puede colocarse también un amortiguador. Estos varios elementos no solamente protegen la cabeza del pilote de los esfuerzos excesivos, sino que también tienen una influencia importante en las ondas de esfuerzo desarrolladas en el pilote durante el hincado. La selección de amortiguadores adecuados afecta las caractenstacas de hincado de un pilote, la profundidad a la que puede hincarse y, en cierto grado.

La clasificación de un martinete se basa en la energía total por golpe; en un martillo de gravedad, la energía es el producto del peso WH del martillo por la altura de caída H. La energía se pierde debido al rozamiento en las guías del martillo. La eficiencia del martinete se define como la energia producida en el impacto, dividida entre la energía total. Los martinetes de vapor, para su mayor eficiencia, deben funcionar a la presión para la que fueron proyectados. La eficiencia disminuye mucho cuando las presiones son bajas. Por otra parte, cuando la presión es muy alta, hace que el martinete rebote en el pilote, lo que daña al equipo.

Aun con la presión apropiada, la eficiencia de los martinetes de vapor con buen mantenimiento, como aparatos para generar y transmitir energía, es del orden de 70 por ciento.

Los pesos de los martillos, las alturas de caida, y otras informaciones pertinentes de los martinetes de vapor de acción sencilla, comúnmente usados, se dan en la tabla 12.2, junto con los otros datos que conciernen a los martinetes de doble acción y de acción diferencial, que apliquen una energía comparable. Los martinetes que aplican las energías mayores usualmente se emplean con los pilotes más pesados y más largos. Para trabajos especiales, como el hincado de pilotes de gran longjtud y grandes diámetros para las plataformas de perforación en alta mar, se fabrican martinetes que aplican energías desde 7000 a más de 25000 Kg-m, que rara vez se usan en las cimentaciones ordinarias.

 Figura 12.5 a) Croquis de un martinete de vapor de acción sencilla b) Martillo diesel de extremo abierto c) Martillo diesel de extremo cerrado.



                            Tabla 12.2 Propiedad de Martinetes Comunes para Hinca de Pilotes.



Los martinetes diesel son de dos tipos, de extremo abierto (fig. 12.5b) y de extremo cerrado (fig. 12.5c). En la base de la cubierta de ambos tipos, entre el extremo inferior del martillo y el bloque del yunque está una cámara, dentro de la cual se produce la explosión del combustible y la compresión de los gases que levantan el martillo. En los martinetes de extremo abierto, el martillo cae por gravedad y aplica energía al yunque por impacto directo. Sin embargo, al descender, se inyecta combustible en el espacio conocido como cámara de combustión, entre el martillo y el yunque. Aproximadamente en el instante del impacto, el combustible se enciende y nuevamente levanta el martillo. Durante un tiempo significativo, la presión de Los gases en combustión también actúan sobre el yunque y aumenta la magnitud y duración de la fuerza impulsora. A este respecto, las características para el hincado de los martinetes diesel difieren apreciablemente, de las que tienen los martinetes de gravedad o de vapor.

En los martinetes de extremo cerrado, la cubierta se extiende sobre el cilindro para formar una cámara de rebote, en la que se comprime el aire al subir el martillo. El aire comprimido funciona como un muelle que limita la subida del martillo, acortando por lo tanto su carrera. Regresa su energía almacenada al martillo en la carrera hacia abajo. Debido a que la carrera es más corta, aumenta el número de golpes por minuto con respecto a los martinetes de extremo abierto.

La energía aplicada por varios de los martinetes diesel comúnmente usados se da en la lista de la tabla 12.2.

Equipo para el hincado de pilotes.

Los pilotes se hincan comúnmente por medio de un martinete, ocasionalmente, mediante un generador de fuerzas vibratorias. El martinete funciona en medio de un par de guías paralelas o correderas suspendidas de una grúa elevadora estándar. En la parte inferior, las guias se conectan a la base de la grúa por medio de un miembro hori zontal, conocido como marcador. El marcador puede alargarse o acortarse para permitir el hincado de pilotes inclinados y también para poner a plomo las guias en el sitio de un pilote vertical. Al martinete lo guían axialmente rieles incorporados en las guias.

INSTALACIÓN DE PILOTES.

Equipo para el hincado de pilotes.  Los pilotes se hincan comúnmente por medio de un martinete, ocasionalmente....

Martillos de impacto.  Originalmente, las piloteadoras estaban equipadas con martillos que caían desde el extremo superior de las guías a la cabeza del pilote....

Piloteadoras vibratorias. Los pilotes también se hincan valiéndose de generadores de fuerza que consisten en un peso estático y en un par de pesos excéntricos que giran en sentido contrario....

Resistencia al hincado. Los pilotes que se hincan por medio de martinetes de impacto, ordinariamente se clavan hasta obtener una resistencia que se mide por el número de golpes necesarios para la penetración en los últimos dos o tres centímetros....

Chiflones barrenas y pulsetas. Si los pilotes deben atravesar estratos compactos de arena o grava, con objeto de pasar a depósitos inferiores suaves, puede aflojarse la arena o la grava con chiflones. En este procedimiento, se descarga un chorro de agua cerca de la punta o a los costados del pilote con un tubo de 5 a 7.5 cm de diámetro. La bomba para los chiflones debe ser capaz de....

Perforacón previa al hincado. Cuando se hincan los pilotes a través de arcilla plástica saturada, desalojan un volumen de suelo que puede ser igual al de los pilotes. Este desalojamiento usualmente produce una elevación del terreno que puede levantar las estructuras adyacentes o los pilotes ya hincados....

Pilotes de acero.

Se utilizan mucho como pilotes los tubos de acero, que usualmente se llenan de concreto después de hincados, y los perfiles de acero en H cuando las condiciones requieren un hincado violento, longitudes desusadamente grandes, o elevadas cargas de trabajo por pilote.

Los pilotes de perfiles de acero en H penetran en el terreno más fácilmente que otros tipos) en parte porque desalojan relativamente poco material. En consecuencia 1 se usan frecuentemente para alcanzar un estrato de gran capacidad de carga a gran profundidad. Si el hincado es difícil, y especialmente si el material superior contiene obstrucciones o gravas gruesas, es probable que los patines se dañen y los pilotes se tuerzan o se doblen. Pueden producirse pocos defectos serios si pueden notarse los síntomas durante el hincado. Cuando las condiciones sugieran la posibilidad de estos daños, las puntas de los pilotes deben reforzarse con medidas tales como la mostrada en la fig. 12.4a. Además, como los pilotes en 1-1 sólo se dañan si los esfuerzos de hincado son excesivos, debe darse atención especial al análisis de los esfuerzos dinámicos realizados por medio de la ecuación de la onda (art. 12.5). Utilizando estos análisis puede elegirse el martillo, el amortiguador, y el pilote, de manera que formen un sistema compatible en el que, y con la adecuada supervisión de campo, los esfuerzos de hincado puedan mantenerse menores que los que causen daño.

Figura 12.3  Ejemplos de pilotes precolocados a) Tipo comunmente usado para caballetes de puente 
b) Seccional con conexiones hechas soldando el mango a la tiea de acero después de insertar la siguiente sección  c) Pilote seccional preesforzado con conexiones hechas introduciendo un caquillo apretado de acero en un conector ligeramente cónico.

El diámetro de los pilotes de tubo varía usualmente de 25 a 75 cm. El espesor de las paredes rara vez es inferior a 2.5 mm, y usualmente, se hincan tubos con espesores hasta de 4.5 mm con mandril. Si el espesor de las paredes excede de 2.5 a 3.2 mm, puede considerarse que el acero participa con el concreto en el soporte de las cargas estructurales. Si los pilotes se hincan con el extremo abierto, deben limpiarse antes de llenarlos de concreto. Ordinariamente, están cerrados en el extremo inferior, casi siempre con una placa, como se muestra en la fig. 12.4b. Los cierres más elaborados, como las puntas cónicas, rara vez presentan ventajas importantes. En unos cuantos suelos, como las arcillas plásticas firmes, debe quitarse la parte volada de la placa. Como los pilotes de tubo pueden revisarse después de hincados, se identifican los pilotes dañados, y, si no es posible repararlos, pueden rechazarse.

Los pilotes de acero están sujetos a la corrosión. El deterioro es usualmente insignificante, si todo el pilote está enterrado en una formación natural, pero puede ser intenso en algunos rellenos debido al oxígeno atrapado. Si los pilotes se prolongan hasta el nivel del terreno, o más arriba del mismo, las zonas inmediatas, arriba y abajo del nivel del suelo son especialmente vulnerables. Además, puede esperarse un ataque intenso entre los niveles de las mareas del agua del mar, y arriba de la alta marea  ,donde el pilote queda sujeto al ataque de sales. Posiblemente sea necesario consultar especialistas para determinar la posibilidad de daño y para elegir métodos de defensa apropiados. Los recubrimientos epóxicos son efectivos y no se dañan con facilidad con el hincado. Asimismo, una buena proteccion es recubrir las zonas vulnerables con concreto.

Tabla 12.1  Variación Ordinaria de las Cargas de Trabajo en Pilotes Hincados

Las especificaciones incluyen usualmente tolerancias sobre la verticalidad y lo recto de los pilotes hincados, pero como cosa práctica, la inspección para juzgar si se ha cumplido con ellas, sólo es posible si los pilotes son huecos. Por lo tanto, los pilotes de tubo y los de acero hincados con mandril pueden inspeccionarse, pero los pilotes de madera, los de sección en H, y la mayor parte de los pilotes de concreto precolados no pueden. No existen evidencias de que una desviación de la verticalidad de 5 o 10 por ciento de La longitud del pilote sea dañina, ni de que una considerable curvatura libre de dobleces bruscos sea perjudicial, aun en suelo blando, si la punta del pilote queda dentro de los limites establecidos para la verticalidad. Como muchos pilotes que no pueden inspeccionarse, indudablemente se han desviado mucho de su posición teórica y sin embargo se han aceptado, es irrazonable imponer penas por restricciones demasiado severas para los pilotes que es posible examinar.

Figura 12.4  a) Refuerzo para la punta de pilote H. b) Placa para cerrar la punta de un pilote de tubo.

Pilotes de concreto.

Poco después de 1900, se idearon varios tipos de pilotes de concreto. Desde entonces, han aparecido numerosas variantes, y en la actualidad se dispone de una gran variedad de pilotes entre los cuales el ingeniero puede elegir el que mejor se adapte a una obra determinada. Los pilotes de concreto pueden dividirse en dos categorías principales, colados en el lugar y precolados. Los colados en el lugar pueden subdividirse en pilotes con y sin ademe.

El concreto de un piloce con ademe se cuela dentro de un molde, que usualmente consiste en un forro de metal o tubo delgado que se deja en el terreno. El forro puede ser tan delgado que su resistencia se desprecia al valuar la capacidad estructural del pilote, pero, sin embargo, debe tener la resistencia suficiente para que no sufra colapso bajo la prtsión del terreno que lo rodea antes de que se llene con concreto. Los forros muy delgados y los tubos no pueden hincarse sin estar soportados en el interior por un mandril, que en sí es una fuente de gastos y, cuando menos a veces ocasiona dificultades de construcción. De los diferentes tipos de pilotes de concreto hincados con mandril que se usan en Norte América, tres se ilustran en las figs. 12.2a a 12.2c. El pilote mostrado en la fig. 12.2d es una modificación de un pilote sin ademe y se describe en el párrafo siguiente. El forro mostrado en la fig. 12.2e es lo suficientemente grueso como para permitir que el pilote se hinque sin mandril.

La supresión del ademe o forro reduce el costo de los materiales que se utilizan en el pilote; por lo tanto, hay incentivos económicos en el desarrollo de pilotes sin ademe. Varios de los primeros tipos se formaron hincando un tubo abierto en el terreno, limpiándolo, y llenando la perforación de concreto al ir sacando el tubo. Estos pilotes, frecuentemente tenían imperfecciones y aun discontinuidades, y actualmente se emplean medios mis convenientes para asegurar la continuidad del concreto. Por ejemplo, al formar el pilote sin ademe tipo Franki (fig. 12.2f), se deja caer directamente un martinete de gravedad en una masa de concreto en la parte inferior del tubo de hincado; el rozamiento entre el concreto y el tubo, hinca el tubo en el terreno.

Cuando se ha alcanzado la profundidad necesaria, se levanta ligeramente el tubo de hincado y se sostiene para que no penetre más al alimentar concreto, en tanto que el martillo sigue golpeando para que e] concreto penetre en el suelo y forme un pedestal. Luego se saca el tubo progresivamente mientras se inyectan cantidades adicionales de concreto, compactándolo para ir formando el fuste del pilote, que presenta una superficie exterior áspera donde queda en contacto con el suelo. La variante con ademe (fig. 12.2d) se forma de la misma manera hasta que se crea el pedestal. Luego, se inserta un forro de acero corrugado en el tubo para hincar, se coloca un tapón de concreto en el fondo del forro, sobre el pedestal, y se hinca para que arrastre al forro dentro de la parte superior del pedestal aun sin fraguar. Se saca el tubo para hincar y el resto del forro se llena de concreto.

La instalación de pilotes colándolos en perforaciones previas en vez de hincarlos, es semejante a la de las pilas y se trata en el cap. 13. Existen varios tipos hibridos, tales como los que se forman bombeando concreto a presión a través del vástago hueco de una barrena, con la cual se ha perfo rado, en tanto que la barrena se va extrayendo del suelo.

Figura 12.2. Ejemplos de pilotes colados en el lugar. a) Pilotes Raymond córiicos escalonados hincados con mandril. b) Pilotes Armco de tubo de pared delgada, hincados con un vástago. con el extremo cerrado por una punta precolada c) Pilotes tipo Cobi, cilíndricos. corrugados. de paredes delgadas, hincados conmandril que se aprieta contra el tubo por medio de aire comprimido. d) Pilote ademado de Franki hincado por medio e un martinete de gravedad (JIIC cae en el concreto fresco que esti dentro del ademe. e) Pilote Union Metal Monotube que se hinc-a sin mandril. f,) Pilote Franki no ademado.




Al elegir entre la gran variedad de pilotes colados en el lugar, el ingeniero necesita tener un conocimiento detallado, sobre las caracteflsticas y dimensiones de los pilotes disponibles, y una actitud escéptica hacia todas las operaciones realizadas en condiciones en las cuales no es posible hacer una inspecci6n directa. Ese conocimiento puede obtenerse parcialmente de los propios contratistas de pilotes.

Los pilotes precolados de concreto se fabrican de muchas formas. Un tipo usado comúnmente para los caballetes de los puentes, y ocasionalmente en los edificios, se ilustra en la fig. 12.3a. Estos pilotes deben reforzarse para soportar el manejo hasta que están listos para hincarse, y deben estar reforzados para resistir los esfuerzos causados por el hincado. Si se ha subestimado La longitud necesaria, resulta muy dificil prolongarlos. Si la longitud se ha sobrestimado, el cortarlos es caro. Por el contrario, los pilotes seccionales precolados (fig. 12.Sb) pueden variar su longitud fácilmente.

Los pilotes precolados pueden ser también preesforzados. Con el preesforzado se trata de reducir las grietas producidas por tensión durante su manejo e hincado, y de proporcionar resistencia a los esfuerzos de flexión. Los pilotes preesforzados de una pieza tienen las mismas desventajas que los pilotes ordinarios, si sus longitudes se estiman mal. Los pilotes preesforzados seccionales (fig. 12.3c), obvian esta dificultad. Se han desarrollado pilotes huecos cilindricos preesforzados de concreto centrifugado con diámetros hasta de 1.5 m o más, y espesor de paredes de 10 a 15 cm, para elevadas capacidades; se usan bastante para pilas de puentes.



Como la mayor parte de las variantes de los pilotes de concreto pueden hincarse hasta alcanzar una alta resistencia sin daño, usualmente es posible asignarles mayores cargas admisibles que a los pilotes de madera (tabla 12.1). Bajo condiciones ordinarias no están sujetos a deterioro y pueden usarse arriba del nivel del agua freática. Elevadas concentraciones de sales de magnesio o de sulfato de sodio (más de 1000 ppm de SO en el agua de los poros) pueden producir deterioro y requerir precauciones especiales o la selección de un material diferente. Las sales en el agua de mar y la humedad marina, atacan el refuerzo en los pilotes a través de las grietas en el concreto; al forrnarse el óxido, el concreto se desconcha. La mejor protección contra ello es usar un concreto que sea denso y de alta calidad. El deterioro de los pilotes de concreto preesforzado no es tan rápido, porque las grietas de tensión se reducen al mínimo.



Figura 12.3. Ejemplos de pilotes precolaclos. a) Tipo comunmente usado para caballetes de puente. b; Seccional (Fuentes) con conexiones hechas soldando el mango a la tira de acer después de insertar la siguiente sección, c) Pilote seccional preesforzado (Brunspile) çon conexiones hechas introdtwiendo un casquillo apretado de acero en un conector ligeraniente cónico.

Pilotes de madera.

Desde el imperio romano quedó bien establecido el uso de troncos de árboles como pilotes; los detalles de las cimentaciones piloteadas fueron descritos por Vitruvio en el año 58 D.C. Probablemente, los pilotes de madera son el tipo que más se usa en todo el mundo. Bajo muchas circunstancias, proporcionan cimentaciones seguras y económicas. Su longitud está limitada por la altura de los árboles disponibles; son comunes los pilotes de longitudes de 12 a 18 m, en tanto que longitudes mayores no pueden obtenerse económicamente en todas las regiones.

Los pilotes de madera no pueden sopor. t.ar los esfuerzos debidos a un fuerte hincado, en ocasiones necesario para penetrar mantos muy resistentes. Pueden reducirse los daños a las puntas usando regatones de acero, pero, para un tipo dado de martinete, el peligro de romper los pilotes puede reducirse mucho únicamente limitando el esfuerzo inducido en la cabeza del pilote y el número de golpes del martillo. Los pilotes de madera no pueden hincarse en suelos de elevada resistencia sin sufrir daño; por lo tanto, rara vez se usan para cargas mayores de 30 toneladas; en muchas localidades la carga de trabajo está restringida a 25 toneladas o menos.

Aunque los pilotes de madera pueden durar indefinidamente cuando están rodeados permanentemente por un suelo saturado, están sujetos a pudrirse arriba de la zona de saturacion, En algunas localidades, pueden dañarse o destruirse por insectos como las termitas. La vida de los pilotes de madera, arriba del nivel del agua puede aumentarse mucho tratándolos a presión con creosota. La duración efectiva con este tratamiento todavía no se ha determinado bien, pero se sabe que excede a los 40 años.

Los pilotes de madera en aguas estancadas o saladas también están sujetos al ataque por varios organismos marinos como el teredo y la limnoria. El deterioro puede ser completo en unos cuantos años o, en condiciones extremadamente desfavorables, en unos cuantos meses. El tratamiento químico no parece ser muy efectivo. Por lo tanto, los pilotes de madera no deben usar- se donde queden expuestos a aguas saladas abiertas, a menos que se compruebe mediante investigaciones completas, que no existen organismos destructivos.

Tipos de pilotes: Clasificación.

Los pilotes se construyen en una gran variedad de tamaños, formas, y materiales para adaptarse a muchos requisitos especiales, incluyendo la competencia económica. Aunque su variedad desafia las clasificaciones sencillas, pueden estudiarse desde el punto de vista de los principales materiales de que están hechos. Que incluyen la madera, el concreto, y el acero.

Pilotes de madera.
Pilotes de concreto.
Pilotes de acero.
Pilotes compuestos. Ocasionalmente, los pilotes se fabrican uniendo secciones su periores e inferiores de materiales diferentes, como concreto arriba del nivel de las aguas freáticas y madera sin tratar debajo. El costo y la dificultad para obtener una junta aceptable ha sido la causa del abandono casi total de este tipo de construcción en los Estados Unidos y Canadá. Por otra parte, se dispone de una gran variedad de pilotes que consisten de varias combinaciones de forros, tubos y otros componentes.



Cimentaciones Piloteadas: Función de los pilotes.

Cuando el suelo situado al nivel en que se desplantaila normalmente una zapata o una losa de cimentación, es demasiado débil o compresible para proporcionar un soporte adecuado, las cargas se transmiten a material más adecuado a mayor profundidad por medio de pilotes o pilas. La diferencia entre estos elementos es algo arbitraria. Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal pequeña, comparada con su longitud, y usualmente se instalan utilizando una piloteadora que tiene un martinete o un vibrador. A menudo se hincan en grupos o en filas, conteniendo cada uno suficientes pilotes para soportar la carga de una sola columna o muro. Las pilas, por otra parte, tienen usualmente una sección transversal mayor, siendo cada una de ellas capaz de transmitir toda la carga de una sola columna al estrato de apoyo.

Las columnas con poca carga pueden, en algunos casos, necesitar un solo pilote. Sin embargo, ya que en las condiciones del trabajo de campo, la posición real de un pilote puede quedar a varios centímetros de la posición proyectada, difícilmente pueden evitarse las cargas excéntricas. En consecuencia, las cabezas de los pilotes aislados usualmente se arriostran en dos direcciones por medio de contratrabes (fig. 12.1a). Si sólo se necesitan dos pilas, las cabezas se unen con un cabezal de concreto, siendo arriostradas solamente en una dirección, perpendicular a la linea que une los dos pilotes (fig. 12.1 b). Los grupos que contienen tres o más pilotes están provistos de cabezales de concreto reforzado, como se muestra en la fig. 12.1 c, y se consideran estables sin apoyarlos con contratrabes.

También pueden usarse pilotes verticales para resistir cargas laterales; por ejemplo, debajo de una alta chimenea sujeta al viento. Comparada con la capacidad axial, la capacidad lateral es usualmente pequeña. Cuando es necesario soportar grandes cargas laterales, pueden usarse pilotes inclinados (fig. 12.1 d). Las inclinaciones de 1 horizontal a 3 vertical representan aproximadamente la mayor inclinación que puede obtenerse con el equipo ordinario para hincado. La economía favorece usualmente las menores inclinaciones, aunque tenga que usarse un mayor número de pilotes.


Figura 12.1  a) Pilote individual soportado por contratrabes en dos direcciones b) Grupo de dos pilotes apoyado en contratrabes en la misma direccion c) Cabezal sinapoyo lateral para un grupo de tres pilotes d) Uso de pilotes inclinados para muros de contencion

Determinación de las dimensiones y detalles de los elementos de la cimentación.

El piso de la estructura ilustrado en la fig. 11.1, está situado aproximadamente a 1.50 m arriba de la rasante que rodea el edificio. La diferencia de altura se obtiene por medio de un terraplén compactado, que soporta no solamente el piso, sino también las zapatas interiores. La parte inferior del muro exterior de la estructura sirve para contener esta porción del relleno. Si se ha eliminado la posibilidad de que ocurran asentamientos, todos estos elementos estructurales pueden construirse con dimensiones en las que no se tomen en cuenta dichos asentamientos.

El piso de la planta baja de una estructura como ésta consiste invariablemente en una losa de concreto (fig. 11.1). En bodegas o edificios industriales, el piso puede estar sujeto a cargas distribuidas muy pesadas y a cargas concentradas de las ruedas de las carretillas elevadoras. Por otra parte, si la estructura tiene solamente un piso, las zapatas soportan columnas sujetas a poco más que el peso del techo y posiblemente, a cargas ocasionales de nieve. Así, el piso puede considerarse como el elemento de carga principal. Las zapatas pueden desplantarse en excavaciones de poca profundidad de manera que las caras superiores de las zapatas formen parte del piso, como se muestra en la fig. 11 .4a. Como alternativa, la losa del piso puede colarse directamente en el lecho superior de las zapatas (fig. 11.4b). Las zapatas desplantadas a varios metros abajo del nivel del suelo (fig. 11 .4c), requieren la compactación de los rellenos que quedan debajo del piso. En este último caso, el grado de compactación obtenido arriba de la zapata suele diferir del obtenido en el terreno adyacente, especialmente cerca de las columnas, por lo que es dificil de evitar el agrietamiento del piso; en consecuencia, son preferibles las disposiciones mostradas en las figs. 11.4a y 11 .4b. Por supuesto, las zapatas exteriores deben llevarse a un nivel inferior al de congelación y no podrá evitarse la colocación del piso adyacente sobre relleno. El relleno requiere una cuidadosa compactación para dar el soporte adecuado para la losa del piso cercana al muro exterior.


Figura  11.4  Disposiciones comunes de las zapatas interiores con respecto a la losa de piso.

Cimentaciones sobre Rellenos Compactados: Consideraciones para el proyecto.



En la fig. 11.1, se ilustran las principales consideraciones para el proyecto de una estructura apoyada en un relleno. Se supone que se va a apoyar un edificio industrial ligero de un piso en un bajío que cubre un depósito profundo de suelo compresible. Antes de construir el propio edificio, se eleva la rasante de toda el área varios metros con un terraplén compactado. Se construye un terraplén adicional para soportar el piso, situado aproximadamente a 1.5 m arriba del nivel del terreno circundante, a una altura conveniente para descargar directamente mercancías de los furgones del ferrocarril o de los camiones de carga. Las columnas se desplantan sobre zapatas apoyadas en el relleno.

En estas condiciones, el relleno es el apoyo local inmediato para las zapatas de cimentación, muros de contención y pisos del edificio. Si la construcción del terraplén y su compactación se controlan correctamente, es probable que el relleno resulte más resistente y menos compresible que la mayor parte de los depósitos naturales. En este sentido, es un excelente material de cimentación. Por otra parte, el mismo terraplén aplica una carga importante sobre el suelo compresible inferior. Por ejemplo, el terraplén de 1 :50m construido dentro de los muros de contención, puede añadir una carga del orden de 3000 kg/m2 sobre el área de la estructura, carga que es aproximadamente igual a la producida por un edificio para oficinas de 5 pisos, sin sótano; o por uno de 15 pisos con sótano. Además, debido a que la carga se distribuye en un área grande, se produce un aumento de esfuerzos correspondiente en todo el espesor del depósito compresible. Así, aunque el relleno es un excelente apoyo para las zapatas y los pisos, puede producir asentamientos perjudiciales en toda el área, incluyendo el edificio construido arriba. Bajo estas circunstancias, ningún refinamiento empleado en la distribución o en el proyecto de las mismas zapatas puede mejorar apreciablemente el mal funcionamiento de la estructura. 


Figura 11.1  Sección transversal en un edificio para industria ligera sobre suelo compactado.



El proyecto de una estructura apoyada en un terraplén, ha de contemplar dos etapas. La primera es determinar si el peso del terraplén y del edificio producirá asentamientos excesivos a gran profundidad. Si este es el caso, deberán tomarse medidas para evitar el asentamiento o sus consecuencias, o inclusive, puede considerarse que el lugar no sirve para el objetivo planeado. Solamente en el caso de que las consecuencias perjudiciales de los asentamientos a gran profundidad puedan aceptarse o eliminarse, debe emprenderse la segunda etapa del proyecto. El asentamiento de los materiales blandos inferiores puede entonces ignorarse, y a las cimentaciones se les darán las dimensiones de acuerdo con las características del relleno, considerando debidamente la resistencia del suelo que está debajo del terraplén.