PILOTES - EFECTO GRUPO.

Normalmente, las cimentaciones pilotadas requieren la disposición de grupos de pilotes que suelen quedar unidos por un encepado que recoge sus cabezas.

En los apartados precedentes, se ha descrito el modo en el que se puede calcular la carga de hundimiento de un pilote aislado, y también la carga axial que lo solicita. Con esos datos se podrá estimar el coeficiente de seguridad frente a hundimiento del pilote individual.

En los grupos de pilotes será necesario comprobar también la seguridad frente al hundimiento conjunto del grupo de pilotes. Este cálculo se efectuará como se indica a continuación.

En primer lugar, el conjunto de todos los pilotes del grupo se asimilará a un gran pilote cuya sección transversal sea tal que englobe (circunscriba) a todas las secciones transversales de los pilotes y del terreno que existe entre ellos.

Como longitud de ese pilote virtual equivalente, se tomará la longitud media de los pilotes del grupo.

Como contorno del pilote equivalente se considerará el correspondiente al de la sección transversal antes indicada, y sobre él se aplicará la resistencia por fuste. En la parte del contorno que sea ocupada por el propio terreno —y no por pilotes—, se supondrá que la resistencia unitaria por fuste es la misma que en el contacto real pilote-terreno.

Como peso del pilote equivalente debe tomarse la suma del correspondiente a cada uno de ellos y el del terreno que los rodea, dentro del grupo.

El cálculo de la carga de hundimiento de este gran pilote virtual, representativo del comportamiento conjunto, se realizará por alguno de los procedimientos anteriormente descritos.

PILOTES EMPOTRADOS EN ROCA.

La carga de hundimiento Qh de los pilotes que se empotran en roca tiene dos componentes esenciales: la resistencia por punta Qp y la debida a la parte del fuste en contacto con la roca Qf.

La resistencia por punta puede estimarse como el producto del área de la punta, Ap, por una presión límite de rotura, qp.

Mas adelante se indica un método de cálculo de presiones admisibles en roca para cimentaciones superficiales; en esta ocasión, interesa conocer la carga de hundimiento por punta para el caso de cimentaciones profundas. Para tener en cuenta la diferente situación, las presiones que se indica mas adelante deben adaptarse al caso (tipo de control posible en las discontinuidades, tipo de limpieza, menores áreas de apoyo, etc.). En consecuencia, se recomienda tomar como carga de hun- dimiento para pilotes en roca el siguiente valor:

Cuando el empotramiento sea importante, se puede utilizar el mismo procedimiento, multiplicando la carga de hundimiento por punta antes obtenida por el factor de empotramiento, df, definido por:

Donde:
df = Factor de empotramiento en roca, de la zona de la punta.
Lr = Profundidad de empotramiento en roca de la misma o mejor calidad que la existente en la punta.
D =Diámetro real o equivalente del pilote.

La resistencia por fuste de pilotes en roca será contabilizada, únicamente, dentro del empotramiento en roca sana o con grados de alteración II y III, a lo sumo. El aprovechamiento del rozamiento del fuste a lo largo de los suelos o rocas más alteradas, por encima de dicha profundidad, necesita una deformación que, en general, no es compatible con la del empotramiento en roca.

Dentro de la zona de empotramiento en roca se puede considerar, para la evaluación de la capacidad de carga de los pilotes perforados, una resistencia unitaria por fuste, τf, igual a:

Donde:

τf = Resistencia unitaria por fuste, dentro del empotramiento en roca.
qp = Resistencia unitaria por punta que correspondería a dicha roca según se ha determinado en este epígrafe, antes de ser afectada por el factor df, en su caso.

En cualquier caso, y salvo justificación expresa en contra, los valores de qp y τf se limitarán a unos valores máximos de 20 MPa y 2 MPa respectivamente.

EFECTO BARRERA EN GRUPOS DE PILOTES.

Cuando existe una sola alineación o fila de pilotes, se considera admisible repartir el empuje total estimado en partes iguales entre cada pilote de la pantalla.

Cuando existen varias alineaciones o filas de pilotes, el problema es más complejo. Los pilotes más expuestos a la generación de esfuerzos horizontales parásitos son los que están más próximos a las cargas superficiales que los provocan, o los que están más próximos a la cabeza de los taludes. Si el problema de la distribución de cargas resultara crítico, requeriría un análisis específi- co de interacción (cálculo con modelos numéricos).

Como norma general simplificada, se puede suponer que los esfuerzos totales antes estimados se distribuyen entre las sucesivas alineaciones o pantallas que pudieran existir, asignando a cada una de ellas un valor mitad que a la anterior. Véase figura 5.6.

FIGURA 5.6. EFECTO GRUPO EN LOS ESFUERZOS PARÁSITOS HORIZONTALES

EMPUJES HORIZONTALES SOBRE PILOTES PRÓXIMOS A TALUDES DE RELLENO.

Existen situaciones en las que se ejecutan pilotajes en rellenos, situándolos próximos a los taludes de los mismos. Es el caso, por ejemplo, de los estribos de puente pilotados desde la coronación de los terraplenes de acceso.

Siempre es una práctica recomendable construir primero los terraplenes y, una vez consolida- dos sus cimientos y estabilizados sus movimientos, ejecutar los pilotes. Si esa práctica se sigue, y si se observa un control fehaciente de los movimientos de los terraplenes, de manera que se pue- da asegurar que los movimientos futuros, tras la construcción del pilotaje serán mínimos (unos pocos centímetros, nunca más de 5 cm en el punto de mayor movimiento), entonces puede suponer- se que no existirán esfuerzos parásitos inducidos.

De otra forma y, si por cualquier circunstancia, se sigue la práctica, no recomendable, de construir los pilotes volados y después «enterrarlos» en los terraplenes de acceso, conviene realizar una estimación del esfuerzo horizontal inducido, y también del rozamiento negativo antes descrito.

Para evaluar el empuje horizontal que actúa sobre los pilotes, pueden desarrollarse cálculos específicos con modelos numéricos que permitan representar los detalles del caso en estudio. Estos procedimientos salen fuera del alcance de esta Guía.

Cuando el problema en cuestión no resulte crítico, se puede seguir el procedimiento simplificado que se describe en este epígrafe.

La estimación del empuje del terreno sobre los pilotes, requiere realizar cálculos de estabilidad global utilizando métodos de equilibrio límite adecuados al caso. En general se recomienda el uso del método de Bishop simplificado.

En primer lugar, debe calcularse la situación correspondiente al talud sin pilotes y, en función del resultado, decidir sobre el paso siguiente del proceso, como se indica a continuación:

• Si el coeficiente de seguridad resulta suficientemente elevado (F ≥ 1,7), se supondrá que no existe empuje sobre los pilotes.
• Si el coeficiente de seguridad es inferior a dicho valor (F < 1,7), la fuerza horizontal sobre el conjunto de los pilotes es aquella que asegura un coeficiente de seguridad global sufi- cientemente elevado.

En este segundo caso (F < 1,7), el cálculo puede realizarse de manera simplificada, mediante
los siguientes pasos:

• El grupo de pilotes ha de ser representado por un solo elemento resistente situado en el
centro de gravedad del grupo.
• Fijar un punto en la vertical del elemento resistente a la profundidad, hi (véase figura 5.5),tantear distintas líneas de rotura que pasen por dicho punto y realizar el cálculo de estabilidad suponiendo que no existen pilotes. Si el coeficiente de seguridad, en alguna de las líneas tanteadas resulta inferior a 1,7, se supondrá que sobre la masa deslizante actúa una fuerza F =– Ei (igual y contraria que el empuje de la masa deslizante sobre el pilote, que se representa en la figura 5.5) aplicada a una profundidad igual a 2/3 hi , cuyo valor se aumentará progresivamente hasta que los coeficientes de seguridad de todas las líneas de rotura que pasan por el punto en cuestión, sean iguales o superiores a 1,7 (Fi ≥ 1,7).
• Variar la profundidad, hi , y repetir el proceso para obtener una relación de parejas de valores (Ei, hi ) que aseguran un coeficiente de seguridad siempre superior a 1,7, para cualquier línea de rotura, que corte al elemento resistente que constituye el pilotaje, a la profundidad hi.
• Se entiende que la acción que produce el terreno sobre el elemento resistente es el valor de Ei
que conduce a la situación más desfavorable. Se entiende también que, en general, será más desfavorable aquella situación cuyo producto Ei · hi alcance el valor máximo (máxima flexión en el pilote).
• El empuje Ei que se obtiene es una fuerza por unidad de longitud transversal (perpendicular a la sección plana representada en la figura 5.5) y que habrá que multiplicar por la anchura para obtener el empuje total. A estos efectos se considera suficientemente aproximado tomar, como ancho B de cálculo, el menor de entre los tres siguientes:
• a) El ancho del terraplén en la coronación.
• b) El ancho del grupo de pilotes, medido entre los ejes de los pilotes extremos, más tres veces el diámetro del pilote.
• c) El producto del número de pilotes en una misma fila, en sentido perpendicular a la fuerza Ei, por tres veces su diámetro.
• El empuje total a distribuir entre todos los pilotes del grupo es:

• La distribución del empuje total entre los distintos pilotes del grupo puede efectuarse siguiendo el criterio indicado al respecto en el epígrafe 5.6.5.

Cuando sea necesario conocer la forma de reparto del empuje en la vertical del pilote, se podrá suponer un reparto triangular con valor nulo en la cabeza y máximo en la profundidad hi.

Ejemplo de Cimentación por Pilotes.

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 maquinaria que alberga. Las tres razones principales por las cuales el Centro de Materiales se cimentó 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.

Fig. 1.5 Edificio con cimentación profunda por pilotes.

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 ¡ti 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 030 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 piano 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 pilotes?
7. ¿Tendría el hincado de pilotes alguna influencia sobre estructuras adyacentes?

Cimentaciones por pilotaje.

En líneas generales, la cimentación por pilotaje está indicada cuando:

— No existe firme en una profundidad alcanzable con zapatas o pozos (D > 5 m).
— Se quieren reducir o limitar los asientos de edificio.
— La permeabilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecución de cimentaciones superficiales.
— Las cargas son muy fuertes y concentradas (caso de torres sobre pocos pilares).
— Se quiere evitar la incidencia sobre cimentaciones adyacentes.

Cuando el firme está profundo y hay que recurrir a un pilotaje, la solución es inmediata si Las cargas están concentradas pero no sucede lo mismo cuando entre unos pocos pilares hay grandes superficies cargadas como es el caso de naves industriales, almacenes, iglesias, etc. En estas condiciones resulta económicamente inviable pilotar toda la superficie edificada y tampoco es aconsejable pilotar sólo los pilares dejando el resto como una solera flotante ya que los asientos diferenciales llevarían a una situación funcionalmente inaceptable.

No hay más remedio en estos casos que mejorar el terreno para reducir al máximo su deformabilidad, lo cual puede conseguirse por precarga, vibroflotación, consolidación dinámica, inyecciones, etc. Según el nivel de mejora alcanzado la solución global puede ser una cimentación superficial de pilares y solera o el pilotaje de los pilares y el apoyo directo de las soleras.

La selección de uno u otro tipo de pilote tiene considerable importancia y requiere cierta experiencia ya que es frecuente el empleo de pilotes inadecuados al problema que se plantea, bien por defecto de proyecto o por esforzarse el CQntratista en emplear el pilote que fabrica o que le es más asequible.

En la selección del tipo de pilote intervienen:

— La naturaleza de las distintas capas del terreno y su resistencia.
— El espesor de terreno a atravesar o la longitud previsible de los pilotes.
— Las cargas a transmitir.
— El número de pilares a cimentar o, en definitva, el volumen de la obra de pilotaje.
— Condicionantes especiales como el trabajo en zona urbana, la agresividad del terreno, la existencia de fuerzas horizontales o dinámicas, el riesgo de rozamiento negativo, etc.

Estos factores tienen una mayor o menor influencia según el caso de que se trate y están interrelacionados, lo cual imposibilita una elección inmediata de un determinado tipo de pilote, dándose a menudo el caso de existir varios tipos posibles, entre los que se elige por consideraciones económicas, de plazo, etc.

Sin embargo pueden hacerse algunas recomendaciones útiles en los casos más frecuentes:

— Los pilotajes flotantes en arcillas deben evitarse, pero cuando resultan obligados por estar el firme muy profundo (> 30 m) suelen realizarse con pilotes ¡ti situ en una vaina perdida hincada previamente. Si el terreno es relativamente firme, de modo que la perforación se mantiene lo suficiente para hormigonar, sin necesidad de revestimiento, están indicados los pilotes in situ y los barrenados.

— En el caso de pilotajes en terreno arenoso flojo interesa conseguir la mejora o compactación del terreno por lo que se emplean los pilotes prefabricados hincados y los apisonados al amparo de una entibación considerable, con bulbo en la base (tipo Franki). Si el terreno granular es compacto, la hinca debe ayudarse con lanza de agua o incluso hacer una perforación previa (eventualmente mantenida con lodos bentoníticos).

En este caso pueden ser ventajosos los perfiles o pilotes metálicos de pequeña sección y más fácil hin- ca. Sin embargo, es raro tener que recurrir a pilotajes en suelos granulares compactos.

— Si en el terreno existen gravas gruesas, bolos, capas cementadas, restos de demoliciones, etc., que impiden o dificultan las hinca de pilotes habrá que recurrir a pilotes perforados, de diámetro preferentemente grande, y normalmente con entubación.

— Los pilotes in situ, perforados sin entubación, están indicados en terrenos cohesivos compactos, con poca agua, eventualmente con alguna capa dura (atraesable con trépano).

— Los pilotes barrenados no pueden ejecutarse en terrenos duros o cementados ya que el avance de la hélice exigiría un par motor excesivo para la maquinaria usual.

— Cuando en el terreno existen capas artesianas pueden producirse problemas al atravesarlas con pilotes de extracción, sobre todo si se trata de arenas flojas que se sifonan. Igualmente pueden presentarse problemas en el hormigonado si existe circulación importante de agua, existiendo riesgo de deslavado del hormigón.

— Cuando se pueda alcanzar una base firme de apoyo en profundidades razonables deben emplearse pilotes-columna apoyados en dicha base ya que es la mejor forma de aprovechar la capacidad resistente de la cimentación. A este fin los pilotes prefabricados hincados convienen en longitudes moderadas (> 20 m) para evitar uniones, desvíos de instalación, eventuales pandeos, etc1 Los pilotes iii situ (con o sin entubación, según el terreno atravesado) deben tener un diámetro proporcional a la profundidad para efectuar correctamente el hormigonado.

— Respecto al volumen de obra, los pilotes prefabricados requieren el empleo de gran número de unidades (>100) para justificar un par- que de fabricación. En el mercado existen algunos tipos patentados (como el Herkules o el Raymond) que pueden encargarse para obras pequeñas. Los pilotes de gran diámetro, que requieren importante maquinaria y equipos, también precisan volúmenes de obra apreciables para amortizar traslados e instalación. El pilote ¡ti situ, el barrenado y el apisonado son mucho más versátiles y se adaptan mejor a obras de tamaño medio a pequeño.

— En función de las cargas previstas y teniendo en cuenta que la cimentación resuLtará económica cuantos menos pilotes se coloquen, los pilotes prefabricados están indicados para carga por pilar bajas (> 200 t), los pilotes óonvencionales ¡ti situ para cargas medias (200 - 700 t) y los de gran diámetro para cargas grandes (> 700t).

— Los pilotes hincados no pueden emplearse cuando los impactos generen perturbaciones ambientales (ruidos, vibraciones, etc.) no tolerables o cuando puedan inducirse asientos o fenómenos de inestabilidad en edificios próximos.