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Apuntes Geotecnia UPM...

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Capítulo

4

CIMENTACIONES PROFUNDAS

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Cimentaciones profundas

ÍNDICE 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

INTRODUCCIÓN .....................................................................................2 TIPOS DE PILOTES .................................................................................4 PILOTES DE DESPLAZAMIENTO ........................................................5 PILOTES DE EXTRACCIÓN...................................................................9 ACCIONES ..............................................................................................11 RESISTENCIA ESTRUCTURAL...........................................................13 CARGA DE HUNDIMIENTO DEL PILOTE AISLADO ......................15 4.7.1 Resistencia por punta .....................................................................18 4.7.2 Resistencia por fuste ......................................................................22

4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13

FÓRMULAS DINÁMICAS DE LA HINCA ..........................................25 RESISTENCIA AL ARRANQUE DEL PILOTE AISLADO .................28 RESISTENCIA HORIZONTAL DEL TERRENO .................................29 ASIENTO DE UN PILOTE AISLADO ..................................................29 EFECTO GRUPO ....................................................................................30 BIBLIOGRAFÍA .....................................................................................31

ANEJO I - Estudio de la hinca

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4.1

INTRODUCCIÓN

En el tema anterior comentamos que si el terreno presenta una resistencia suficiente en superficie se pueden emplear cimentaciones superficiales que permitan transmitir las cargas a una mayor profundidad. Sin embargo en ocasiones existen causas que desaconsejan este tipo de cimentación y hay que planear cimentaciones profundas que transmitan las cargas a estratos más profundos. En todos los casos, cuando se estudia la cimentación de una estructura, habría que comprobar en primer lugar si se pude diseñar la cimentación de manera superficial, comprobando si se podrían cumplir los coeficientes de seguridad y los asientos requeridos (ya que suele ser la solución más barata y con mayor facilidad constructiva). Si no es posible, es cuando se pasaría a estudiar las cimentaciones profundas. ¿En qué casos son necesarias las cimentaciones profundas? A continuación se enumeran algunas situaciones en las que se pueden emplear este tipo de cimentaciones: 1.

Si se comprueba que la carga transmitida por la cimentación superficial es superior a la carga de hundimiento. Esto suele suceder cuando las cargas transmitidas por la estructura en la superficie del terreno son muy elevadas o la resistencia del terreno muy baja (por ejemplo, cimentaciones sobre rellenos, en zonas de marismas…).

2.

En otras ocasiones puede ser necesario emplear este tipo de cimentaciones profundas debido a que los asientos que puede tener la cimentación son muy limitados. Puede suceder en la cimentación de equipos industriales. Por ejemplo, la rotativa de un periódico que sólo admite, teóricamente, asientos milimétricos.

3.

También es posible pensar en cimentaciones profundas cuando el terreno es bastante heterogéneo (por ejemplo, el sustrato se encuentra a diferente cota en distintos puntos de la obra). En estos casos puede interesar realizar una cimentación mediante pilotes que logre reducir los posibles asientos diferenciales. Si las puntas de los pilotes quedasen apoyadas en la misma formación, los asientos serán bastante uniformes independientemente del terreno existente por encima.

4.

Además, se puede considerar una solución interesante los pilotes si existen suelos inestables que puedan resultar expansivos o colapsables (en el caso de los suelos expansivos los pilotes trabajarían a tracción). Hay que tener en cuenta que los pilotes pueden tener tanto resistencia a compresión como a tracción. Relacionada con el tipo de terreno otra situación para emplear este tipo de cimentación es cuando existen

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cavidades para evitarlas y transmitir las tensiones por debajo de ellas. Por ejemplo, en terrenos kársticos (con la precaución de confirmar que no existen oquedades bajo el terreno). 5.

También es recomendable emplear cimentaciones profundas cuando exista riesgo de licuefacción (que suele afectar sólo a los 10-15 m más superficiales) ya que el terreno licuado “perdería” su capacidad resistente.

6.

a presencia de agua en la superficie puede impedir/dificultar la realización de las cimentaciones superficiales y "obligar" a realizar cimentaciones profundas. Por ejemplo cimentaciones cerca del cauce del río.

7.

En algunas ocasiones se han diseñado cimentaciones para que los pilotes trabajen a tracción, puesto que es la acción condicionante. Por ejemplo, en un dique seco en el que la subpresión existente levantara la solera del mismo.

Existen diversos tipos de cimentaciones profundas. Aunque las más conocidas son los pilotes también se ha utilizado cimentaciones mediante cajones o pozos indios que son cajones que se hincan en un terreno blando que se hinca por gravedad mientras se excava el terreno en su interior. En este tema nos referiremos a los pilotes que son estructuras cuya dimensión principal es la longitud, siendo claramente mayor que las otras. Un criterio habitual es como pilote aquella cimentación cuya longitud es 6-8 veces la dimensión mínima. En los pilotes se puede diferenciar tres partes: la cabeza o parte superior, la punta o parte inferior y el fuste que forma el cuerpo del pilote. Al igual que en el caso de las cimentaciones superficiales hay que comprobar que la cimentación diseñada cumple los estados límites últimos y los estados límites de servicio. En este caso, los estados límites últimos serían los siguientes: -

Hundimiento

-

Arranque

-

Rotura horizontal del terreno

-

Estabilidad general o global

-

Rotura estructural

Los estados límites se servicio corresponderían a deformaciones excesivas que impidieran la funcionalidad de la estructura.

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4.2

TIPOS DE PILOTES

Existen diversos criterios que se pueden aplicar para clasificar los pilotes. En este apartado se describen algunos de los más habituales. En primer lugar, los pilotes se pueden clasificar en cuanto a su forma de ejecución: pilotes de desplazamiento o de extracción. En los primeros, los pilotes se introducen en el terreno produciendo el desplazamiento lateral del terreno mientras que en los de extracción se perfora un orificio en el terreno mediante excavación, extrayendo el terreno cuyo hueco es rellanado posteriormente con hormigón. Pueden existir pilotes de carácter intermedio entre los pilotes excavados y los hincados tales como los hincados en preexcavaciones parciales de menor tamaño que el pilote. Así deben considerarse también los pilotes hincados con ayuda de lanzas de agua (para atravesar ciertas capas más resistentes). La forma de ejecución del pilote condicionará, por ejemplo, el cálculo de la carga de hundimiento. El segundo de los criterios sería la forma del pilote. Los pilotes pueden tener una forma cilíndrica (los pilotes hormigonados in situ) o prismática (los pilotes prefabricados de hormigón). También se han fabricado pilotes de forma hexagonal u octagonal. También existe. Otra posibilidad serían los pilotes anulares, es decir, pilotes circulares que están huecos en su interior. En cualquiera de los casos siempre su sección suele ser constante a lo largo de toda la longitud. Un tercer criterio sería según el material que lo componen. Los pilotes suelen ser de hormigón (bien ejecutados in situ o prefabricados en fábrica), metálicos y de madera. También pueden existir pilotes mixtos (con hormigón y acero). El tamaño del pilote también permite realizar una cuarta clasificación de los pilotes. Así, en función de su diámetro los pilotes pueden clasificarse como de gran diámetro (los mayores de 1 m), los habituales (entre 45 y 100 cm) y los de pequeño diámetro (inferiores a 45 cm). Habría que diferenciar los micropilotes (hasta 30 cm de diámetro) que presentan una técnica de ejecución distinta, así como otro procedimiento de cálculo de los estados límite últimos. Por último, habría un quinto tipo de clasificación de los pilotes en función de cómo transmiten las cargas. En las cimentaciones superficiales las tensiones se transmitían al terreno por la superficie inferior de la misma. En cambio, en los pilotes parte se transmite por la parte inferior (punta) y parte por la zona lateral (fuste). Si el pilote apoya en un terreno muy resistente la carga se transmitirá principalmente por la punta y se denominan pilotes columna. En cambio, cuando este estrato resistente no existente parte de la carga (en ocasiones, la mayoría) se transmite por fuste (otra parte por la punta) y se denominan pilotes flotantes.

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La selección del tipo de pilote depende de diversos factores, entre los que estarían los siguientes: -

Naturaleza del terreno y su resistencia

-

La longitud prevista para los pilotes

-

El volumen de la obra

-

Algunas consideraciones particulares como si la obra es urbana, la posible agresividad del terreno, la existencia de acciones horizontales o dinámicas.

4.3

PILOTES DE DESP LAZAMIENTO

La característica fundamental estriba en la compactación de los suelos del entorno que su ejecución puede inducir, ya que el pilote se introduce sin hacer excavaciones previas (es decir, no se extrae material) que faciliten su alojamiento en el terreno. Han sido empleados a lo largo de la historia, desde hace de más de 5.000 años. Desde el imperio romano comenzaron a utilizarse los troncos de los árboles como pilotes. Habitualmente, la hinca de los pilotes se produce mediante golpeo en la cabeza con un martillo (es decir, a golpes). La hinca se realiza mediante equipos específicos como es una torre montada sobre carro de orugas (aunque en algunos países la maquinaria está menos desarrollada). Por la torre se desliza la maza de caída libre que proporcional la energía de hinca. El accionamiento de la maza puede ser mecánico (manual) o hidráulico (automático).En ocasiones se hinca por vibración. Durante la hinca se pueden producir tracción en la cabeza del pilote lo que llevaría a la rotura del mismo (principalmente en los pilotes de madera y de hormigón donde la resistencia a tracción es reducida). Por eso, se necesita colocar un elemento de protección entre el pilote y la maza (se denomina habitualmente sombrerete). En la parte superior del sombrerete existe un hueco donde se aloja la sufridera o almohadilla. La energía trasmitida por la hinca depende mucho de la naturaleza, espesor y naturaleza de este elemento. En la parte inferior, el sombrerete lleva otra almohadilla de pequeño espesor cuya función es asegurar el buen apoyo del sombrerete sobre el pilote. El esquema descrito se puede ver en la Figura nº 5.1.

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Figura nº 5.1. Esquema de protección de la cabeza del pilote (Geotecnia y cimientos “

A continuación se describen los pilotes hincados que se emplean con mayor frecuencia. Los pilotes de madera más utilizados son los que se obtiene del eucalipto. Debido a su pequeña resistencia sólo pueden ser empleados en aquellos casos en los que los esfuerzos a los que sean sometidos sean pequeños. Además, hay que limitar los esfuerzos producidos durante la hinca. Para ello, hay que adoptar precauciones durante la hinca para evitar su rotura protegiendo la cabeza y la punta. Otro inconveniente es la limitación de su longitud. Este tipo de pilotes suele estar limitado a unos 16-18 m de longitud ya que no suelen existir árboles de mayor altura. En cuanto a la durabilidad, se debe comprobarse que la madera no es afectada por las termitas u otros insectos. Además, existe riesgo de putrefacción si el pilote no está permanentemente sumergido. Para evitarlo es necesario el tratamiento de los pilotes o el empleo de maderas adecuadas.

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En definitiva, este tipo de pilotes presenta la limitación de la longitud, el diámetro y la resistencia, así como la limitación del tope estructural1 que se les puede asignar. Muchas obras se han cimentado mediante pilotes metálicos tubulares, especialmente en obras marítimas. En estos pilotes la hinca es sencilla. Los pilotes metálicos tienen un amplio rango de dimensiones, superior al de los pilotes de hormigón. Pueden estar comprendidos entre 0,6 y 1,2 m de diámetro con espesores variables en función de los esfuerzos a los que va a estar sometido. Además permite empalmar varios tramos de pilotes mediante soldaduras. Este tipo de pilotes, debido a la alta resistencia del acero, permite desarrollar una carga estructural elevada así como una resistencia a flexión. El único inconveniente es la posible corrosión de los mismos lo que produciría una pérdida de sección y, por tanto, de resistencia. Para evitarlo habría que realizar un tratamiento anticorrosión. En otras ocasiones se realiza una estimación de la posible corrosión del acero durante la vida útil del pilote y se le da al pilote ese sobreespesor. En los pilotes metálicos huecos es muy importante conocer si en la punta se forma “tapón” o no2, ya que varía de manera significativa la carga que se puede transmitir al terreno adyacente. Pero en la actualidad, en España lo más empleados son los pilotes de hormigón armado. Estos pilotes suelen ser prefabricados en factorías actualmente (antes a veces se realizaban in situ). La construcción en factoría garantiza la máxima calidad de ejecución. Los pilotes de hormigón son de forma cuadrada, existiendo una serie de tamaños estándar: 20, 23,5, 27,5 30, 35, 40 cm de lado. La limitación de la longitud máxima de un tramo de pilote suele ser de 12 m. Pero no hay problema sobre la longitud de los mismos puesto que se pueden colocar juntas que permiten empalmar varios tramos. Esta dimensión viene dada por problemas de transporte (14 m es la longitud máxima con transporte especial) y colocación. Para longitudes mayores las flexiones que se producen en la etapa de transporte y manipulación podrían producir la rotura del pilote antes de su hinca. Si los pilotes tienen que ser de una mayor longitud se colocan juntas para unir los distintos tramos. Las juntas tienen que ser ensayadas para asegurar que puedan transmitir adecuadamente los esfuerzos. Estas comprobaciones son laboriosas. Por este motivo, se deben emplear las

1 El tope estructural es la máxima tensión que debe ser aplicada sobre el pilote. Este concepto será explicad o con detalle más adelante en el presente documento. 22

Se dice que se forma tapón cuando el terreno queda adherido a las paredes interiores del pilote, de manera que el terreno interior en la zona de la punta se moviliza de manera conjunta con el pilote.

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dimensiones comerciales ya que el diseño de una junta para un pilote distinto sería costoso y necesitaría un plazo de tiempo elevado. Para la fabricación de los pilotes se resistencia (en muchos casos se emplean Habitualmente se suele emplear cemento permite un rápido desencofrado y resistente utilizado en cualquier tipo de obra).

suele utilizar hormigón de alta ya un hormigón H-50 N/mm2). Pórtland de alta resistencia que a los sulfatos (para que pueda ser

Los pilotes suelen ir reforzados con armaduras. En ocasiones las armaduras no sólo se emplean para resistir los esfuerzos transmitidos por la cimentación sino también como se ha comentado durante las labores de transporte y manejo. También existen pilotes con armadura pretensada. Las ventajas que presentan los pilotes hincados respecto a los perforados son: 1.

El tajo es limpio y rápido. Esto provoca que haya menos incertidumbre en los plazos de la obra. Pueden alcanzarse rendimientos del orden de 150 a 350 m de pilote por jornada de trabajo y equipo.

2.

El tope estructural de los pilotes es más elevado. Por este motivo se puede ahorrar material y los encepados resultan más pequeños.

3.

Se puede garantizar la calidad de los materiales lo que permite que sea resistente a los agentes agresivos. El pilote prefabricado presenta una mejor calidad del material y una ejecución del mismo más correcta (por ejemplo, se puede asegurar el resguardo de la armadura) que los pilotes in situ.

4.

En zonas de circulación de agua pueden producirse desmoronamiento y lavado del hormigón en pilotes perforados (se podría solucionar el problema con camisas). En cambio, en los pilotes prefabricados no se produce esta incidencia.

5.

Se pueden ejecutar pilotes inclinados.

6.

También es una ventaja que pueden sobresalir del terreno. Lo cual es muy útil en obras realizadas en el mar.

7.

En caso de ser necesario pueden intentar rehincarse (por ejemplo si se han levantado en un terreno expansivo, si existe alguna modificación en el diseño de la estructura…)

8.

Si existe problema de rozamiento negativo3, se pueden tomar algunas medidas que reduzcan dicho efecto (por ejemplo, betunes para reducir el

3 Se explicará este fenómeno en el apartado nº 5 de este documento dedicado a las Acciones

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fuste, pilotes metálicos). Además, en el caso de los pilotes de hormigón, su pequeño perímetro minimiza su efecto. Por el contrario las principales desventajas que presentan estos pilotes serían: 1. Dificultad en pasar capas duras intermedias. En ocasiones hay que utilizar algún tipo de útil de perforación complementario lo que retrasa la obra y aumenta el coste. 2. En el caso de los pilotes de hormigón o de madera la resistencia a flexión es limitada y puede ser insuficiente para las flexiones a que estará sometido. 3. En los pilotes de hormigón las secciones que se pueden emplear son fijas. No se pueden variar en función de la obra lo cual puede limitar la optimización de la cimentación. En otro tipo de pilotes (por ejemplo, pilotes metálicos) no existe esta limitación. 4. Durante la hinca no se puede observar el terreno atravesado y, por tanto, no se puede conocer el tipo de terreno donde queda apoyada la punta. 5. Los pilotes se suelen desviar de la vertical con relativa facilidad. Esta desviación produce que aparezcan nuevos esfuerzos en los pilotes. 6. En el caso de pilotes inclinados aparece un rozamiento adicional en las guías de la maza que golpea el pilote, lo que produce una disminución del rendimiento. Se suele admitir que es del orden del 10%. 7. Cuando se hincan en arcillas puede producir el remoldeo de las mismas lo que reduciría su resistencia. Además, en suelos cohesivos saturados podría producirse un incremento de presiones intersticiales. En el caso de pilotes en arenas, puede producir la compactación de las mismas pudiendo, por un lado, producir asientos en el entorno y, por otro, dificultando la hinca de los pilotes en el caso de que exista proximidad entre los mismos.

4.4

PILOTES DE EXTRACCIÓN

Los pilotes de extracción se pueden ejecutar en casi cualquier tipo de terreno si se emplea la técnica constructiva adecuada. Dentro de este tipo de pilotes se pueden clasificar en función de distintos criterios. En primer lugar sería si es necesario realizar algún tipo de contención o no. En algunos casos las paredes se mantienen estables y no es necesario sostenimiento alguno. Serían los pilotes CPI-7.

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