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CAPITULO I

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

En los últimos años, la ciudad de San Miguel ha tenido un desarrollo considerable en

sus actividades, como tales: habitacional, comercio, construcciones, industria y otros

rubros.

A medida que aumenta la población 245,428 hab., proyectada al 2001, según la

Dirección General de Estadísticas y Censo Ministerio de Economía, El

Salvador.(DIGEST1C), se incrementa la necesidad de satisfacer la demanda de

viviendas. Por otra parte el crecimiento urbano en la ciudad de San Miguel se ha

generado y expandido de forma lateral, sin considerar hasta el momento alternativas de

construcciones verticales.

Después de los terremotos del 13 de enero y 13 de febrero del 2001, los cuales afectaron

al país, dañando su economía y estructuras tales como: iglesias, edificios, viviendas,

hospitales y otras; se ve la necesidad de realizar estudios de suelos para cimentaciones

de nuevas edificaciones en la ciudad de San Miguel y en el área urbana o semiurbana.

Con el fin de evitar posibles daños y fallas del suelo a la capacidad de soporte,

asentamientos diferenciales, compresibilidad, saturación, etc; los cuales deben cumplir

con los requisitos y diseños estructurales.

Según los estudios de suelos acopiados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, existen

suelos arcillosos desfavorables y compresibles para la construcción en distintas zonas de

la ciudad (ver Fig. 1.0).

Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma

una saturación sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que

facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo

sobre ellas.

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Aunque las construcciones se realicen mediante técnicos, control de calidad y personal

calificado, es importante realizar distintos planteamientos y soluciones adecuadas del

tipo de cimentación a utilizar, sobre todo se tiene que considerar la relación Estructura –

Cimentación, debido a que se tienen que tener referencias de la estructura a construir en

un suelo determinado.

FIG. 1.0 MATERIAL ARCILLOSO, FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA DE OTE. UES.

Por los motivos anteriores es imprescindible aprovechar el recurso suelo, ya que la

preinversión hecha en la realización de una obra civil, debe estar apoyada en

información clara y precisa de las distintas características de los suelos y su posible

comportamiento con las cargas que se le transmitirán, los datos únicamente serán

obtenidos mediante el estudio de suelos, desarrollado por un laboratorio debidamente

autorizado y registrado legalmente.

El análisis y ejecución de los datos, será responsabilidad del “constructor de la obra”

o el delegado establecido por él, ya que es de suma importancia el buen manejo de

información para la construcción a realizar.

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1.1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el apartado anterior, se identificó la problemática por la cual atraviesa la ciudad de

San Miguel con relación al tipo de suelo que se presenta en ciertas zonas, de igual forma

su crecimiento poblacional, desarrollo económico y comercial en los últimos años.

Una vez identificado el problema y estableciendo su situación problemática,

proseguimos al planteamiento del problema, por lo que es necesario definir

específicamente lo que sucede en la ciudad de San Miguel y el aporte que se espera dar

con investigación.

Cuando se requiere de la construcción de una obra civil (viviendas, edificaciones,

puentes, carreteras y otros), es necesario considerar varios aspectos generales de

ejecución, tales como:

• Planos del proyecto: representan los requisitos básicos para establecer lo que se

quiere construir, donde se va a construir y la magnitud lo que vamos a realizar.

De tal forma, obtenemos la relación Suelo-Estructura, definiendo lo que

necesitamos como soporte estructural y posibles alternativas de solución.

• Estudios de suelos: en la construcción de una obra, es importante determinar y

conocer el tipo de suelo donde se realizará la edificación, ya que el éxito de una

obra comienza desde sus cimientos. De tal forma se hace necesario identificar si

el suelo donde se realizará la construcción es el adecuado y reúne las

condiciones óptimas para soportar las cargas a las que estará sometida.

• Alternativas de solución: cuando se tengan problemas con el tipo de suelo

encontrado en el lugar, y no reúna las condiciones favorables y económicas para

la construcción, es necesario conocer las distintas alternativas de solución para

lograr una buena edificación. Se elegirá de esta manera una solución económica,

favorable, que cumpla con los requisitos mínimos y con las Normas de calidad

exigidas internacionalmente como: ASTM, AASHTO, ACI, etc.

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Con relación a lo antes mencionado, es importante establecer lo que debemos hacer

cuando se tienen estratos de suelos saturados, poco saturados, compresibles (baja

capacidad de carga para un buen soporte); desconocimiento de procesos de diseño y

constructivos de cimentaciones profundas (pilotes), en la zona donde se ubicará la

investigación. Entonces llegamos al planteamiento de la siguiente pregunta:

¿Cómo puede determinarse la aplicación de cimientos profundos para edificaciones en

la ciudad de San Miguel?

Para responder a la pregunta planteada, es necesario tener un conocimiento de las

propiedades mecánicas de los suelos, los estudios realizados en el lugar y sus

respectivas recomendaciones por los Laboratorios de Suelos, de igual forma conocer los

distintos métodos de aplicación de diseño en la construcción de las cimentaciones

profundas, sus procesos constructivos y los requerimientos de calidad exigidos

internacionalmente.

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1.1.3 JUSTIFICACIÓN

En el Municipio de San Miguel se han realizado construcciones con cimentaciones

profundas, las cuales son efectuadas cuando los estratos de suelos situados

inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar las cargas

transmitidas con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable.

En distintos casos las construcciones están realizadas con cimentaciones superficiales o

semiprofundas, debido al tipo y magnitud de la estructura que se ha realizado, por

ejemplo: casas habitacionales, locales comerciales, restaurantes y otros.

Actualmente no existe en la ciudad de San Miguel, un documento o guía que sirva de

referencia para utilizar cimentaciones profundas en los suelos existentes de las zonas a

establecer, ya que para la realización de este tipo de investigación es necesario un

interés académico o institucional.

Por las razones anteriores es necesario elaborar un documento que haga una

recopilación de resultados de laboratorio actualizados y que brinde alternativas de

solución de cimentaciones profundas en base a la estratigrafía encontrada, generando de

esta manera un aporte técnico que sirva a la sociedad como un apoyo para la

construcción de fundaciones.

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1.1.4 OBJETIVOS

Objetivo General:

• Elaborar un documento que sirva como orientación general, sobre los estratos de

suelos a encontrar en la ciudad, y en las zonas desfavorables la aplicabilidad de

cimentaciones profundas coladas in situ. Cumpliendo de esta manera con el

requisito académico para optar al grado de Ingeniero Civil.

Objetivos Específicos:

• Realizar una delimitación del área en estudio para la ciudad de San Miguel, la

cual tendrá como prioridad los suelos compresibles que no son de beneficio para

la cimentación.

• Determinar las propiedades de los suelos a encontrarse en las zonas de estudio,

por medio de la recopilación de estudios de suelos y los ensayos propuestos a

realizarse.

• Aplicar cimentaciones profundas en los suelos desfavorables encontrados

previamente determinados en las zonas del área de estudio.

• Establecer los procesos constructivos colados in situ, en los lugares donde se

requieran las cimentaciones profundas.

• Proporcionar un documento donde se puedan describir las zonas en las cuales se

encuentren las arcillas compresibles, su profundidad y resistencia a ser fundadas.

• Elaborar un material de consulta para la construcción de edificaciones de gran

magnitud o una estructura con requerimientos y/o estudios de cimentaciones

profundas.

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1.1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES

Alcances:

• Elaborar un documento con los resultados de ensayos de suelos actualizados de

las zonas delimitadas por nuestra investigación para la ciudad de San Miguel.

• Determinar el tipo de cimentación profunda a utilizar en el suelo más

desfavorable encontrado, el cual estará de acorde al desarrollo urbanístico

proyectado en el mapa de uso de suelos según PADCO ESCO (1998).

• Representar mediante un mapa de macrolocalización los resultados promedios

obtenidos en la zonificación delimitada.

• Se realizarán Estudios de suelos en las zonas desfavorables previamente

delimitadas, los cuales complementarán la información de la recopilación de los

resultados de laboratorio existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel.

Limitaciones:

• Nuestra área de estudio se limitará en las zonas: urbana, semi-urbana y

potencialmente urbana de la ciudad de San Miguel.

• En las zonas previamente delimitadas donde existan suelos compresibles con

“N” muy bajos (dependiendo de los resultados de laboratorio y la edificación a

construir), se determinarán las soluciones mediante cimentaciones profundas

coladas in situ.

• En este estudio se hará una propuesta de diseño para cimentaciones profundas,

que sea el más factible y económicamente posible en el área delimitada para la

ciudad de San Miguel.

• La investigación de los procesos constructivos aplicando cimentaciones

profundas coladas en el lugar, estará limitado a los recursos y equipos que sean

utilizados en el país, sin exceptuar la maquinaria extranjera.

• La campaña geotécnica a realizarse, contemplará los estudios de suelos

recopilados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, además de realizar nuevos

estudios en las zonas proyectadas de desarrollo que se encuentren en el área

delimitada. Los estudios propuestos serán de Penetración Estándar (SPT).

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1.1.6 HIPÓTESIS

“Por medio de la recopilación existente y nuevos ensayos de Penetración Estándar

(SPT), realizar una macrozonificación del subsuelo de la ciudad de San Miguel, la cual

permita identifica los estratos compresibles a diferentes profundidades que requieran

de la aplicabilidad de cimentaciones profundas.

En adición a lo anterior, es necesario además un análisis de los modelos matemáticos

usuales para el diseño estructural y procesos constructivos acerca de los pilotes, ya que

se aportaría con esto, conocimientos fundamentales al sector profesional y estudiantil

para el uso de cimentaciones profundas empleando pilotes”.

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1.1.7 METODOLOGÍA

Se iniciará con la recopilación de los estudios de suelos existentes realizados en la

ciudad de San Miguel, de esta manera, se logrará identificar los tipos de suelos,

estratigrafía y sus propiedades a encontrarse. Luego se procederá a la delimitación del

área de estudio, para lo cual se necesitará un plano de localización actualizado (se

investigará en el Centro Nacional de Registros CNR) de la ciudad de San Miguel. Al

mismo tiempo se hará la actualización de resultados de laboratorio obtenidos.

Se estima encontrar diferentes zonas estratigráficas, por lo que será conveniente realizar

Estudios de Laboratorio de suelos para la verificación de los ensayos recopilados y sus

posibles soluciones de cimentación para los casos que se presenten. Estos estudios serán

de Penetración Estándar (SPT) en el área más desfavorable y/o crítica con suelos

compresibles o nivel freático cercano a la futura cimentación, y que tengan proyección

urbanística según el uso de suelos determinado por el Plan de Desarrollo Urbano de la

ciudad (PADCO-ESCO).

Una vez realizados todos los Estudios de suelos y la recopilación de información, se

aplicarán cimentaciones profundas en los suelos desfavorables conforme a los

resultados de laboratorio.

Para esta investigación se hará un análisis de las cimentaciones profundas, estableciendo

las partes por las que están compuestas, además de los requerimientos de normas y

especificaciones técnicas que deben de cumplirse a satisfacción, dependiendo del tipo

de material, tipo de ensayo a realizarse y exigencias a cumplir en nuestro país.

Después de definir la clase de cimentación, será necesario realizar el “Diseño Tipo”

según los lugares a proponer, realizando tres evaluaciones con distintas características

estratigráficas.

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Seguidamente se establecerán los diferentes procedimientos de construcción, los cuales

estarán regidos por la maquinaria y recursos utilizados para su realización,

complementados con el control de calidad y seguridad.

Finalmente se espera que el documento tenga un valor considerable para los usuarios,

que llene las expectativas y que cumpla con nuestros objetivos planteados, de esta

manera facilitar a los interesados en el tema, las aplicaciones de cimentaciones en la

ciudad de San Miguel.

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1.2 MARCO HISTÓRICO

La importancia de un estudio de suelos, radica en saber si el suelo será capaz de

soportar las construcciones, iniciando con la cimentación, que es la parte conocida como

infraestructura que se colocará por debajo de la superficie del terreno y que transmitirá

las cargas al suelo.

Con el transcurso del tiempo se determinó que algunas de las estructuras se deterioraron

antes de la vida útil, presentando distintas fallas, debidas a que el suelo sobre el cual han

sido cimentadas no han soportado el peso de la misma, a consecuencia de las

deformaciones sufridas por el suelo, tales como asentamientos, deformaciones,

expansión del suelo y otros.

En nuestro país, después del terremoto de 1965 en la Ciudad de San Salvador, se vio la

necesidad de realizar estudios de suelos, a los pocos años de este fenómeno surgieron

los laboratorios de suelos, los cuales comienzan a realizar y dar ciertas recomendaciones

en suelos de mayor problema con tratamientos especiales o cimentaciones profundas.

Hasta el fenómeno sísmico de 1986 en San Salvador, las cimentaciones profundas y

especialmente los pilotes tomaron cierto auge, ayudando también a que se empieza a

trabajar en zonas que fueron cafetales en las que se descubrieron existencia de humus y

de materia orgánica. En consecuencia el 98% de los pilotes de nuestro país fueron

puestos hace menos de 18 años.

En la zona oriental especialmente en San Miguel, en la cual se ubica nuestra zona de

estudio, se han tenido algunos casos de daños a las estructuras, debido a que las

cimentaciones de estas han fallado a causas de no conocer las características físicas y

mecánicas de los suelos y por consiguiente no practicarles un tratamiento adecuado.

Fue hasta después de 1986 que se empiezan a realizar recomendaciones especiales, pero

fue en la década de los años 90 en los cuales se empiezan a utilizar cimentaciones

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profundas en ciertas zonas. Entre algunas ellas tenemos: Plaza Chaparrastique, Texaco

Saquiro, edificio Ex Credisa, Puente Gavidia, Super Repuestos, Teatro Gavidia y otros.

No hay un registro existente en la Ciudad de San Miguel de que se halla construido

algún tipo de cimentación profunda antes de esta época*.

*Estudios de suelos existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel.

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1.3 MARCO NORMATIVO

Actualmente en nuestro país no existe ningún marco propio regulatorio sobre

cimentaciones superficiales y profundas, pero se toman en cuenta la calidad y

especificaciones de los materiales a utilizar en los diferentes tipos de cimentación.

Generalmente para pilotes, pilas y micropilotes construidos de concreto y acero se

utilizan los criterios de diseño y normas del “ACI Manual of Concrete Practice”, así

como también normas Mexicanas que son aplicables en nuestro país. Algunos temas

cubiertos por estos reglamento son: Planos y Especificaciones, Supervisión, Materiales;

Calidad del concreto; Mezclado y Colocación, Concreto preforzado; Concreto

prefabricado; y otros.

Para otro tipo de materiales distintos del concreto y acero, se basaran en las normas

“American Society for Testing and Materials” (ASTM). Esta comprende materiales

como madera (la cual es aplicable para cimentaciones profundas), además de los

métodos para la elaboración de los ensayos de laboratorio.

En nuestro estudio realizaremos sondeos de suelos con ensayos de Penetración Stándar

SPT (Ver en Anexo N-2). Con esto se pretende obtener la información necesaria de los

estratos que conforman el subsuelo, a fin de cumplir con el Capitulo 6, Art. 46, del

Reglamento para la Seguridad Estructural de Construcción de la República de El

Salvador.

En cuanto a los procesos constructivos en cimentaciones profundas, son los laboratorios

de suelos y las compañías supervisoras, las que se basan en nuestro país en manuales

Mexicanos de cimentaciones (se ampliará en el capítulo tres), para poder dar las

especificaciones necesarias.

Cuando intervienen compañías extranjeras (específicamente Americanas o Japonesas)

hay pequeñas diferencias constructivas ya que utilizan métodos propios de sus países de

origen.

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1.4 MARCO TEÒRICO

1.4.1- GENERALIDADES.

Toda obra de ingeniería civil descansa sobre el suelo, el cual, a diferencia de otros

materiales de construcción, no tienen definidas sus propiedades y características, es

decir que varían de una zona a otra. Puesto que el suelo es parte fundamental en el

comportamiento de la estructura, el conocimiento de estas, así como el de otras

condiciones que influyen en él; a tal grado que de nada sirve un buen diseño estructural

si se desconocen o se ignoran tales propiedades y características.

Para la determinación de la resistencia del suelo o para prever su comportamiento con el

tiempo una vez cargado, es necesario conocer ciertos datos, que se pueden obtener a

partir de los estudios en el laboratorio por medio de las muestras que se toman en los

sondeos de campo.

Es obvio que algunos resultados que se obtienen por el muestreo de pozos a cielo

abierto, difieren un poco de las propiedades del suelo (laboratorio), ya que se alteran sus

condiciones por el manejo y transporte. De esto se deriva la necesidad de usar factores

de seguridad, con los que se obtienen resultados satisfactorios.

Se puede hacer una distinción general entre los materiales básicos: suelo y roca. En el

extremo la distinción es clara, por ejemplo, entre granito suelto y granito sólido. Sin

embargo una distinción mas precisa, es un poco difícil, ya que algunos suelos que son

muy compresibles pueden ser muy duros (generalmente estado seco), mientras que

algunos tipos de roca son muy blandas o tienen muchas fracturas, lo cual las hace

susceptibles a la desintegración. Para el uso práctico de la ingeniería, el suelo se define,

generalmente, como un material formado por partículas discretas que son muy fáciles de

separar.

Por ser el suelo un material natural, sus propiedades no son controlables y son más

difíciles de determinar con precisión. Además, la respuesta de la mayoría de los suelos

bajo carga es no lineal desde los niveles bajos de esfuerzos y se modifican en forma

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importante con el tiempo. Esta distribución de esfuerzos entre el suelo y la cimentación

depende de la interacción entre ambos sistemas.

1.4.2- SUELOS CONVENCIONALES

Son conocidos los siguientes grupos y tipos*:

- Gravas: son fragmentos de rocas cuyo tamaño van de 2 mm a 250 mm. Los

tamaños son variados, de formas redondeadas o angulares. Se encuentran

combinadas con otros tipos de suelo y habrá que darle tratamientos como a los

cantos gruesos.

- Arenas: son pequeñas partículas de formas redondeadas o angulosas que

proceden de rocas disgregadas. Al describirlas se suele adoptar la clasificación

arbitraria (tabla 1.0). TABLA 1.0

CLASIFICACIÒN DE LAS ARENAS

TIPO DE ARENA DIÀMETROS

Arena fina 0.05 – 0.25 mm

Arena media 0.2 – 0.6 mm

Arena gruesa 2.0 – 2.5 mm Mecánica de Suelos. Juárez Badillo, 1995.

Estas se constituyen en suelos que no tienen cohesión, estando limpias no se

contraen al secarse, son mucho menos compresibles que las arcillas y si se aplica

una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.

Las arenas limosas o materiales arenosos normalmente son buenos para

cimentación. Sin embargo, cuando la arena es muy fina y suelta disminuir su

resistencia y capacidad de soportar cargas. Los suelos arenosos como Limo

arenoso, arena limosa, arenas puras, y otras; son muy susceptibles a los

problemas de erosión, socavación, y a disminuir rápidamente su resistencia. Este

tipo de suelo se mejora con un tratamiento ligante y confinante, de esta forma se

vuelve apto para cimentación.

- Limos: son suelos compuestos de partículas muy finas, con poca o ninguna

plasticidad, cuyos diámetros varían de 0.05 a 0.005 mm aproximadamente. Los

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limos orgánicos generalmente se encuentran mezclados con materia orgánica

finalmente dividida, de olor desagradable si está contaminada.

Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar

cargas a través de la estructura de cimentación. La permeabilidad de los limos es

muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos de no encontrarse en estado

denso, no se consideran buenos para cimentar, en espesor grueso son buenos

para cimentar. Son suelos de partículas muy finas que a veces pueden

confundirse con la arcilla, debido a que algunos presentan cierta plasticidad por

asociaciones arcillosas, lo cual modifica su típico comportamiento, en relación a

la consistencia, resistencia y capacidad de carga; aunque esta plasticidad se

puede disminuir combinándolo con un suelo arenoso. Algunas veces un suelo

limoso está contaminado con materia orgánica y esto causa que el suelo sea

inestable, por lo que habrá de darle un tratamiento que lo mejore combinándolo

con otros suelos (selecto). Sin materia orgánica y estabilizándolo mediante

compactación y otro material apropiado.

- Arcillas: están compuestas de partículas finas, generalmente en forma de

laminillas o escamas, cuyos diámetros llegan a ser menores de 0.005 mm.

Las arcillas se vuelven plásticas cuando se humedecen, pero pierden la

plasticidad y se contraen al secarse. Presentan marcada cohesión según su

humedad, son compresibles y al aplicarle una carga en su superficie se

comprimen lentamente, es muy sensible a los cambios volumétricos y a las

contracciones principalmente perdiendo su resistencia y capacidad de carga. Así

que para disminuir su plasticidad se puede combinar con otro suelo arenoso y

estabilizarlo mediante compactación. Cuando las arcillas se utilizan como suelo

de cimentación se debe controlar su contenido de humedad ya que son muy

susceptibles a los cambios volumétricos cuando se saturan o se secan.

- Tierra vegetal: es una mezcla de arena, limo o arcilla, o una combinación de

cualquiera de ellos, además de materia orgánica. La tierra vegetal no es útil para

cimentar. Deberá removerse totalmente y sustituirla por suelo sano sin materia

orgánica, la arena limosa es ideal para este tipo de sustitución.

- Turba: es suelo constituido por materia orgánica parcialmente descompuesta. La

turba es inservible en suelo de cimentación o como material de relleno.

*Manual de fundaciones de las estructuras según tipos de suelo. UES,1996.

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1.4.3- CLASIFICACIÒN DE SUELOS.

Clasificar un suelo, es agruparlo, de manera tal de conocer lo siguiente:

• Sus descripciones, de modo que se pueda identificar y tener una idea sobre sus

futuros comportamientos en cualquier tipo de obra.

• El conocimiento de su permeabilidad y su resistencia al esfuerzo cortante.

De aquí surge el problema de agrupar los suelos en un reducido número de tipos y por

otro lado, tenemos la ventaja de la clasificación por su notación corta, resulta muy útil

para dar con una idea general y una información abstracta y fácil de identificar un suelo.

Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos o subgrupos basados en su

comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje

común, para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que

son infinitamente variadas sin una descripción detallada.

Actualmente en los laboratorios se usa el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

(SUCS), para la distribución por tamaño del grano y plasticidad de los suelos.

Sistema Unificado de Clasificación de suelos (SUCS):

La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse en

la construcción de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército

durante la Segunda Guerra Mundial. En cooperación con la Oficina de Restauración de

Los Estados Unidos de América, el sistema fue revisado en 1952. Hoy en día, es

ampliamente usado por los ingenieros y laboratoristas. Este sistema clasifica los suelos

en dos amplias categorías:

- Suelos de grano grueso: son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del

50% pasando por la malla No.200. Los símbolos de grupo comienzan con un

prefijo G o S; donde “G” significa grava o suelo gravoso y “S” significa arena o

suelo arenoso.

- Suelos de grano fino: con 50% o más pasando por la malla No.200. Los

símbolos de grupo comienzan con un prefijo “M”, que significa limo inorgánico,

“C” para arcilla inorgánica u “O” para limos y arcillas orgánicos. El símbolo

“Pt” se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos.

Otros símbolos son también usados para la clasificación:

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• W: bien graduado

• P: mal graduado

• L: baja plasticidad (límite líquido menor que 50)

• H: alta plasticidad (límite líquido mayor que 50)

Para una clasificación apropiada con este sistema, se recomienda la siguiente

información:

• Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM,

GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM y GP-GC. Similarmente, los símbolos

de grupo para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML, y Pt.

TABLA 1.1 CLASIFICACIÒN DE SUELOS SUCS

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1.4.4- SUELOS COHESIVOS Y SUELOS NO COHESIVOS.

Una característica que hace muy distintivos a los diferentes tipos de suelos es la

cohesión, debido a ello se clasifican en: Suelos cohesivos y no cohesivos.

Suelos Cohesivos: es la propiedad de atracción intermolecular que hace que sus

partículas se mantengan muy unidas entre si; como las arcillas.

Suelos no Cohesivos: están formados por partículas duras de diversos diámetros en

forma suelta o muy sueltas como las arenas, y no poseen cohesión.

1.4.5- PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS SUELOS.

Son necesarias para el cálculo de la resistencia del terreno y para estimar el

comportamiento que tendrá al transcurrir el tiempo; se puede determinar por medio de

ensayos realizados en el laboratorio o por ensayos hechos en el lugar a cimentar.

1.4.5.1- PROPIEDADES MECANICAS.

Sirven para conocer las respuestas al someterlo a diferentes tipos de carga, a través de

las estructuras de cimentación.- Entre las principales propiedades mecánicas tenemos:

Permeabilidad: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se

mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene

dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al

agua en su travesía por la masa del suelo; el grado de permeabilidad varia según el tipo

de suelo.

Un suelo o roca es permeable cuando contiene vacíos o fracturas continuas; los vacíos

existen en todos los suelos incluyendo las arcillas mas compactas.

La forma de los granos es importante especialmente en los suelos más gruesos. El grado

de saturación y el aire atrapado en los poros reduce el área en la sección transversal y

puede llegar hasta obstruir el paso del agua.

La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: la viscosidad del fluido,

distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos,

rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En los suelos

arcillosos la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores

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mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son: la concentración iónica y el

espesor de las capas del agua adheridas a las partículas de arcilla.

El valor del coeficiente de permeabilidad “k”, varía ampliamente para diferentes suelos;

como se muestra en la tabla 1.2; se dan algunos valores típicos para suelos saturados. La

permeabilidad del suelo no saturado es menor y crece rápidamente con el grado de

saturación. TABLA 1.2

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD “K ”

TIPO DE SUELO k (cms/seg)

Grava limpia 100 – 1

Arena gruesa 1.0 – 0.01

Arena fina 0.01 – 0.001

Arcilla limosa 0.001 – 0.00001

Arcilla 0.000001 Braja M. Das, 2001.

La permeabilidad también está relacionada con las propiedades del fluido que pasa a

través del suelo por la siguiente ecuación:

k = γw η . K

donde:

γw = peso específico del agua

η = viscosidad del agua

K = permeabilidad absoluta

La permeabilidad absoluta se expresa en unidades de longitud al cuadrado, es decir en

centímetros cuadrados (cm²).

Resistencia al corte: las obras de ingeniería son construidas sobre el suelo y es

necesario garantizar su estabilidad, seguridad y economía; previendo la falla del terreno.

El análisis de la estabilidad del suelo comprende los aspectos siguientes:

- Analizar la fuerza actuante sobre él (peso propio del suelo, cargas aplicadas y

otros).

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- Determinar la resistencia del suelo con el objeto de establecer los valores de la

cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo.

La resistencia al corte del suelo, se cuantifica por medio de la cohesión “C” y el ángulo

de fricción interna “ø” para calcular su capacidad de carga.

En un suelo saturado, el esfuerzo normal total en un punto, es la suma del esfuerzo

efectivo y la presión de poro:

σ = σ´ + u

El esfuerzo efectivo σ´ es tomado por los sólidos del suelo, entonces aplicando la

ecuación a la mecánica de suelos tenemos:

Tf = c + ( σ – u ) tan ø = c + σ´ tan ø

donde:

Tf : esfuerzo cortante actuante, final o de falla en Kg / cm²

c : cohesión del suelo en Kg / cm²

σ´: esfuerzo normal actuante en el plano de falla en Kg / cm²

ø : ángulo de fricción interna

El valor de “c” para la arena y limo inorgánico es cero. Para arcillas normalmente

consolidadas, “c” se considera igual a cero. Las arcilla sobreconsolidadas tiene valores

de “c” que son mayores que cero. El ángulo de fricción se llama a veces ángulo de

fricción drenado. Valores típicos del ángulo de fricción se dan en la tabla 1.3; para

arcillas normalmente consolidadas el ángulo de fricción generalmente varía entre 20º y

30º. Para arcillas preconsolidadas, la magnitud del ángulo decrece. Para arcilla naturales

no cementadas, preconsolidadas con presión de preconsolidación menor que

aproximadamente 1,000 KNt / m², la magnitud de “c” cae en el rango de 5 a 15 KNt /

m².

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TABLA 1.3 ANGULO DE FRICCIÓN INTERNA “ø”

Tipo de suelo ø º (grados) Arena: granos redondeados Suelta 27 - 30 Media 30 - 35 Densa 35 - 38 Arena: granos angulares Suelta 30 - 35 Media 35 - 40 Densa 40 - 45 Grava con algo de arena 34 - 48 Arcillas consolidadas 20 - 30 Limos 26 - 35

Braja M. Das, 2001

Deformación: las deformaciones en los suelos aún bajo pequeñas cargas, es mucho

mayor que la de otros materiales; este estado no se produce inmediatamente a la

aplicación de las cargas, si no que se desarrollan con el transcurso del tiempo.

Cuando un suelo se somete a incrementos de esfuerzos totales, como resultado del

aumento de cargas aplicadas (ej: la construcción de un edificio), se produce en él un

exceso de presión intersticial (presión de poros) que se disipa mediante un flujo de agua

hacia el interior, ya que el agua no puede sufrir esfuerzos cortante. La velocidad a la

cual se produce este proceso depende principalmente de la permeabilidad del suelo y la

expulsión del agua, al aplicar la carga al suelo es casi instantánea según su

permeabilidad y se reacomodan las partículas ocasionando fricción interna al interior de

toda la masa sometida.

Lo contrario ocurre con las arcillas saturadas, donde la permeabilidad es muy baja y los

asentamientos ocurren lentamente con el tiempo, ya que el agua tardará mucho en ser

expulsada hacia los límites permeables de la capa arcillosa.

Generalmente, durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas

sólidas sobre un mismo plano horizontal, permanecen esencialmente con la misma

posición. Así, el movimiento de las partículas del suelo, la deformación y el drenaje

puede ocurrir solo en la dirección vertical, por lo que a ésta se le denomina

Consolidación Unidimensional.

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El proceso de consolidación del suelo tiene dos consecuencias importantes:

- Conduce a una reducción de volumen de los poros, y por lo tanto, a una

reducción del volumen total de la masa del suelo, lo cual se manifiesta en

asentamientos de la superficie del terreno natural, en el plano del contacto suelo

– estructura, y por consiguiente en asentamientos de la estructura.

- Durante la disipación del exceso de presión intersticial, el esfuerzo efectivo en la

masa del suelo aumenta y por lo tanto se incrementa su resistencia la esfuerzo

cortante.

De lo anterior se deduce que cuando un suelo se consolida, se produce una disminución

de la relación de vacíos acompañada por el incremento del esfuerzo efectivo.

Con la consolidación se determina la deformación del suelo con el tiempo, por la acción

de las cargas aplicadas en los siguientes casos: cuando hay un cambio de forma y no de

volumen (deformabilidad), y cuando hay un cambio de volumen y no de forma

(compresibilidad).

1.4.5.2- PROPIEDADES FÍSICAS.

Los suelos para cimentaciones se pueden diferenciar entre sí, a través de sus

propiedades físicas en formas cualitativas y cuantitativas como se expresa a

continuación:

Cualitativas: (determinadas por inspección visual y manual)

- Textura: es el grado de finesa y uniformidad del suelo descrito según la

sensación que produce el tacto y por descripción visual.

- Estructura: es la forma que las partículas de suelo se disponen (entre sí) dentro

de la masa del suelo, conformando su esqueleto.

- Consistencia: es el grado de tracción entre las partículas del suelo y la

resistencia ofrecida a las fuerzas que tienden a deformar o a romper en sí el

suelo, se describe como dura, frágil, friable, pegajosa, plástica y blanda.

A los suelos en general a partir de la estructura que tienen en estado natural se le

determina sus propiedades físicas, considerando que están compuestos en tres porciones

fundamentales, una sólida de suelos propiamente dicho, otra líquida en forma de

contenido de agua y otra gaseosa en forma de combinación de distintos gases

acumulados en el subsuelo de la corteza terrestre. Estas porciones son conocidas como

30

las fases fundamentadas de los suelos que se muestran en la Fig. 1.0, para definir las

propiedades físicas. FIG. 1.0

FASES DE LOS SUELOS

donde:

Volumen del aire: Va Peso del aire: Wa = 0 Volumen del agua: Vw Peso del agua: Ww Volumen de vacío: Vv Peso de los sólidos: Ws Volumen de la masa: Vm Peso de la masa del suelo: Wm Volumen de sólido: Vs

Cuantitativas: (determinadas a través de ensayos de laboratorio)

- Porosidad: es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la masa del

suelo, y generalmente se expresa en porcentaje.

n % = Vv x 100 donde: Vm n % : porosidad

Vv : volumen de vacío

Vm : volumen de masa

Relación de vacíos o índice de poros “e”: es la relación entre el volumen de vacíos y

el volumen de los sólidos.

e = Vv donde: Vs e: relación de vacíos

Vv: volumen de vacíos

Vs: volumen de sólidos

31

- Densidad relativa: ya que la porosidad por sí misma no indica si un suelo es

suelto o denso, se recurre a la densidad relativa que es tomada en la información

que al comparar la porosidad de un suelo dado y las porosidades de ese mismo

suelo en su estado más denso y más suelto posible, puede ser expresado

numéricamente por la siguiente expresión:

Dr = eo - e donde:

eo : relación de vacíos del suelo en su estado más suelto, estable. emin: relación de vacíos en el estado más denso que puede obtenerse en el laboratorio. e : relación de vacíos del suelo natural en el terreno.

- Contenido de Humedad: es la cantidad de agua que hay atrapada en un suelo; y se

define como la relación entre peso del agua contenida en el suelo y el peso del suelo

seco expresado en porcentaje, así:

W% = Ww x 100 donde:

Ws W%: contenido de humedad

Ww : peso del agua

Ws : peso del suelo seco

La humedad de los suelos en nuestro medio esta determinada según la época; también

influye el acercamiento con el nivel freático, pero en muchos casos la variación de esta

propiedad solo es en la capa superficial, principalmente en las arcillas. Dentro del

contenido de la humedad podemos encontrar tres importantes características que son:

eo - emin

32

• Grado de saturación: es la relación entre el volumen de el agua contenida en la

muestra de suelo y el volumen de vacíos del suelo.

Gw% = Vw / Vv donde: Gw%: grado de saturación

Vw : volumen de el agua

Vv : volumen de vacíos

• Peso especifico seco: es la relación entre el peso seco de le suelo (secado al horno a

105ºC +/- 5ºC) con respecto a su volumen total.

γd = Ws donde: Vm γd: peso especifico seco

Ws: peso del suelo seco

Vm: volumen total del suelo

• Peso especifico saturado: es la relación entre el peso de el suelo saturado del agua

estado natural y el volumen total del suelo.

γsat = Ws + Ww donde: Vm γsat: peso especifico saturado

Ww: peso del agua

Ws: peso de los sólidos

Vm: volumen total del suelo

33

Las propiedades de algunos suelos típicos según Terzaghi se muestran a continuación

en la siguiente tabla:

TABLA 1.4 PROPIEDADES DE SUELOS TÍPICOS

Descripción Relación de vacíos

"e"

Contenido de

humedad w%

Peso Específico

γ kg/m³

Arena uniforme, suelta 0.8 30 1.45 Arena uniforme, densa 0.45 16 1.8 Arena limosa suelta de grano angular 0.65 25 1.6

Arena limosa densa de grano angular 0.4 15 1.9

Arcilla firme o consolidada 0.6 21 1.7 Arcilla blanda ligeramente orgánica 0.90-1.4 30-50 1.15-1.45

Arcilla blanda muy orgánica 2.5-3.2 90-120 0.6-0.8 Bentonita blanda 5.2 194 1.27

Manual de Fundaciones de las Estructuras. UES, 1996.

1.4.6- CONSISTENCIA DEL SUELO

Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, este puede ser

remodelado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza

cohesiva es debido al agua absorbida que rodea las partículas de arcilla. A principios de

1900, un científico sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un método para describir

la consistencia de los suelos de grano fino con contenido de agua variable. A muy bajo

contenido de agua, el suelo se comporta mas como un sólido frágil. Cuando el

contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto,

dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se

clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos: sólido, semisólido, plástico y

líquido.

El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transición en que el estado sólido a

semisólido tiene lugar, se define como El Límite de Contracción. El contenido de agua

en el punto de transición del estado semisólido a plástico es El Límite Plástico, y de

estado plástico a líquido es El Límite Líquido. Estos límites se conocen también como:

Límites de Atterberg.

34

1.4.6.1- LÌMITE LÌQUIDO (LL)

Es el contenido de humedad expresada en porcentaje con respecto al peso seco de una

muestra de suelo, con el cual el suelo cambia de estado líquido a plástico.

En el año de 1932 Casagrande concluyó que cada golpe de un dispositivo estándar para

límite líquido corresponde a una resistencia cortante del suelo, de aproximadamente

1gr/cm² (0.1 KN/m²). Por consiguiente, el límite líquido de un suelo de grado fino da el

contenido de agua, para el cual la resistencia cortante del suelo es aproximadamente de

25gr/cm² (2.5 KN/m²).

El procedimiento de esta prueba en el laboratorio se realiza de la siguiente manera:

Consiste en una copa de bronce y una base de hule duro, ésta copa, se deja caer sobre la

base por una leva operada por una manivela. Para la prueba se coloca una pasta en la

copa, se corta una ranura en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de

corte estándar, luego con la leva operada por la manivela, se levanta la copa y se deja

caer desde una altura de 10 mm. El contenido de agua, en porcentaje requerido para

cerrar una distancia de 12.7 mm a lo largo del fondo de la ranura a los 25 golpes se

define como el límite líquido. Este procedimiento se amplía en las Normas ASTM D-

4318.

1.4.6.2- LÌMITE PLÀSTICO (LP)

Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la

muestra del suelo secado al horno, para el cual los suelos cohesivos pasan de un estado

semisólido a un estado plástico. La prueba en el laboratorio, se ejecuta formando

cilindros delgados con una muestra de suelo plástico con un diámetro de 3 mm, si el

suelo no se desmorona, se recoge el cilindro, se vuelve a amasar y se rola de nuevo. Se

repite este proceso hasta que el cilindro comienza a desmoronar hasta adquirir un

diámetro de 3 mm. A la humedad que se desmorona el cilindro, se define como el límite

plástico.

El Índice de Plasticidad (IP), es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico

de un suelo:

IP = LL – LP

El procedimiento para la prueba del límite plástico, se da en las Normas ASTM D-4318.

35

1.4.6.3- LÌMITE DE CONTRACCIÓN

Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la

muestra del suelo que pasa por la malla No.40, con el cual una reducción de agua no

ocasiona disminución en volumen del suelo.

La prueba en el laboratorio se determina preparando una muestra de volumen conocido

con una humedad superior al límite líquido, misma que se seca en el horno. Se mide el

peso y el volumen de la muestra secada al horno, se hace un cálculo de la humedad a la

que la muestra seca estaría precisamente saturada. Se considera que esta humedad es el

límite de contracción.

LC = Wi (%) – Δw (%)

donde:

Wi: contenido del agua inicial cuando el suelo se coloca en el recipiente del límite de contracción Δw: cambio en el contenido de agua (es decir entre el contenido de humedad inicial y el contenido de agua en el límite de contracción). El procedimiento de esta prueba, se detalla en las Normas ASTM D-427.

1.4.7- IMPORTANCIA Y REQUISITOS ESENCIALES DEL SUELO

PARA UNA BUENA CIMENTACIÒN

La cimentación comprende la parte que soportará la superestructura, el suelo y la roca

que están debajo, por lo tanto, su proyecto depende de ambos. Si en una estructura se

aprecia que una viga o columna ha resultado débil, puede por lo general, reforzarse;

pero si una cimentación falla y se producen asentamientos u otros problemas que hacen

también fallar a la estructura, poco puede hacerse para mejorar la situación y dicha

estructura quedará inutilizada.

He aquí la importancia que tiene el hecho de que una cimentación ofrezca la seguridad

necesaria para soportar las cargas que se impondrán. Por lo tanto deben tenerse claros

los conceptos sobre la planeación, construcción, funcionamiento y comportamiento de

una cimentación, para poder prever y tomar las medidas necesarias y de esta forma

evitar resultados peligrosos a su posible falla.

36

Una buena cimentación debe cumplir con los requisitos siguientes:

- Debe colocarse a una profundidad adecuada para impedir daños por

levantamiento o socavaciones.

- Debe presentar seguridad contra la falla del suelo.

- Debe asentarse lo mínimo permisible para evitar daños a la estructura.

El primer requisito encierra muchas incertidumbres para el campo de la ingeniería, ya

que durante todo el tiempo que el suelo soportará la superestructura, estará sometido a

diferentes fuerzas naturales y artificiales. Los dos últimos requisitos pueden ser

proporcionados con seguridad por un estudio de suelos.

• Capacidad de carga del suelo: es la capacidad que tiene un suelo para soportar una

carga sin que se desconozca falla dentro de su masa. Puede variar tanto como la

resistencia del suelo así como para la magnitud y distribución de la carga. Se puede

analizarse por medio de distintas teorías como la de Therzaghi, Meyerhof y otros

• Esfuerzo en el suelo: en primer lugar el esfuerzo efectivo vertical inicial en una

masa de suelo, antes de que se construya una estructura, es el debido a su propio

peso, y el cual es igual al peso del suelo menos el esfuerzo neutro. Los cambios en

el esfuerzo neutro pueden tener un papel importante en el asentamiento de una

estructura. En segundo lugar, tenemos los esfuerzos verticales debido a las cargas

en la superficie. Si el suelo tuviere el comportamiento de columnas independientes,

la carga la soportaría solamente las columnas que estarían sometidas a dicha carga,

y las otras permanecerían sin cambio alguno. Pero el suelo es una masa coherente

en que las columnas del suelo están interconectadas elásticamente. Las cargas

aplicadas en un punto se transmiten a través de toda la masa del suelo,

extendiéndose lateralmente a medida que aumenta la profundidad. La

representación de la distribución de esfuerzos puede obtenerse por medio de las

teorías de elasticidad.

Para obtener el esfuerzo de una masa de suelo debido a una carga uniformemente

distribuida en un área rectangular, se investiga el esfuerzo situado a una

profundidad z debajo de una de las esquinas.

37

El valor del esfuerzo a la profundidad z, está dado por la ecuación:

σz = W.Wo

donde: σz: esfuerzo a la profundidad z.

W: carga uniformemente distribuida.

Wo: valor de influencia que depende de m y n.

m: relación entre el ancho del rectángulo y la profundidad z.

n: relación entre el largo del rectángulo y la profundidad z.

Para obtener el esfuerzo a lo largo de una normal que pasa por el centro de un área

circular uniformemente cargada se utiliza la siguiente expresión:

σz = W.Wo

donde: σz: esfuerzo a la profundidad z.

W: carga uniformemente distribuida.

Wo: valor de influencia que depende de la relación entre el radio y

la profundidad.

z: profundidad a la que se determina el esfuerzo.

r: radio del área circular uniformemente cargada.

• Asentamientos: las causas principales de los asentamientos en una estructura, son

la distorsión y consolidación, y están directamente relacionadas con la carga de la

cimentación y se controlan al proyectar la misma. Para cimentaciones en suelos

que se asientan lentamente, como las arcillas saturadas, se usa en el análisis de

asentamiento la carga permanente más cualquier carga accidental que sea

mantenida; pero para suelos de arcilla parcialmente saturada, limos o materiales

orgánicos que generalmente se asientan con rapidez, se debe usar la carga

permanente más toda la carga accidental. En algunos casos es necesario calcular el

asentamiento de cada columna o parte de la estructura, pero en la mayoría es

suficiente conocer las partes más críticas, como en los cimientos para maquinaria,

chimeneas y columnas más cargadas.

Para todos los tipos de cimentaciones sobre arcilla, limos plásticos, los factores de

seguridad deben ser los adecuados para evitar una falla por capacidad de carga.

Sin embargo es igualmente importante hacer una estimación segura de la

38

magnitud del asentamiento diferencial que puede experimentarse en la estructura,

aunque no se exceda el valor de la carga de seguridad. Si el asentamiento

diferencial estimado es excesivo, puede ser necesario cambiar la distribución o el

tipo de cimentación que se está considerando.

En la mayor parte de los casos no se justifica un elevado grado de precisión.

Usualmente puede hacerse una selección correcta del tipo de cimentación, si se

sabe que el asentamiento diferencial será de orden de: 1, 5 y 50 cms.

• Presión admisible del suelo: para el proyecto de una cimentación es necesario

conocer la presión máxima que se puede aplicar al suelo (ver tabla 1.5), sin exceder

la capacidad de carga y sin que se produzcan asentamientos que ponga en peligro

la estructura. Antiguamente se usaban experiencias previas en suelos similares de

la región, información de las cuales se hacían uso; sin embargo este método crea

con frecuencia dificultades debido a que estos datos fueron hechos en tiempos

remotos y en estructuras completamente diferentes a las modernas. Actualmente se

usan las pruebas de carga (Ensayos de Placas, etc) para determinar la deformación

del suelo. TABLA 1.5 PRESIONES ADMISIBLES DE LOS SUELOS

Arena muy suelta Seca 0,0 - 0,50 Kg/cm² Inundada 0,0 - 0,30 Kg/cm² Arena suelta Seca 0,5 - 1,50 Inundada 0,3 - 1,0 Arena firme Seca 1,5 - 3,0 Inundada 1,0 - 2,0 Arena compactada Seca 3,0 - 6,0 Inundada 2,0 - 4,0 Arcilla blanda 0,0 - 0,75 Arcilla firme 0,75 - 1,25 Arcilla resistente 1,25 - 2,5 Arcilla dura 2,50 - 5,0 Roca en capas, laminadas o fracturadas 5,0 - 15,0 Roca masiva con alguna fisura 15,0 - 40,0 Roca masiva sana 40,0 - 100,0

Ingeniería de Cimentaciones. Peck, 1993.

39

1.4.8 CIMENTACIONES

1.4.8.1- GENERALIDADES.

Las estructuras constan de dos partes: la superior o superestructura y la inferior que es la

cimentación o subestructura. La cimentación es el elemento a través del cual se

transmiten los esfuerzos de la superestructura al terreno que debe concebirse de acuerdo

a las características de la obra a construir y del suelo en que se cimentará.

Las cimentaciones deben proporcionar completa seguridad a la estructura, porque de

esto depende la integridad de las vidas de las personas que utilizan el inmueble para

realizar sus actividades, así como también la de los distintos equipos, materiales, valores

y otros, que puedan existir dentro de la estructura.

Es por esto que resulta de vital importancia realizar de forma minuciosa y cuidadosa,

tanto la proyección como la construcción de los elementos que soportarán a la

estructura, evitando que se cometan errores o que se presenten riesgos considerables

sobre la estructura.

Algunos de dichos riesgos se pueden generar por deficiencias o deterioro del cimiento

debidas ha:

- Incorrecto dimensionamiento que por cualquier causa se pueda haber producido.

- Destrucción de los elementos de cimentación que por una agresión bien del

medio o bien externa.

- Deficiente calidad de los materiales aunque el dimensionamiento sea correcto.

- Inadecuada ejecución o deficiente puesta en obra, a pesar de que tanto el

dimensionamiento como los materiales sean los adecuados.

1.4.8.2- DEFINICIÓN DE CIMENTACIONES

La cimentación es la parte de la estructura que permite la transmisión de las cargas que

actúan, hacia el suelo o hacia la roca subyacente. Cuando los suelos reciben las cargas

de la estructura, se comprimen en mayor o en menor grado, y producen asentamientos

de los diferentes elementos de la cimentación y por consiguiente de toda la estructura.

Durante el diseño se deben controlar tanto los asentamientos absolutos como los

asentamientos diferenciales.

40

De manera general, las cimentaciones pueden ser: cimentaciones superficiales y

cimentaciones profundas. A las superficiales también suele dárseles el nombre de

cimentaciones directas, ya que los elementos verticales de la superestructura, como las

columnas, se prolongan hasta el terreno de cimentación descansando directamente sobre

él mediante el ensanchamiento de su sección transversal con el fin de reducir el esfuerzo

que se transmite al suelo. De este tipo son las zapatas aisladas, zapatas corridas, zapatas

combinadas, zapatas de contrabe, losas de cimentación y otras.

El otro tipo, las cimentaciones profundas o llamadas también cimentaciones indirectas,

ya que las cargas de la superestructura son transmitidas por elementos intermedios a

suelos resistentes que se encuentran a cierta profundidad. A este tipo pertenecen los

pilotes, micropilotes, pilas o cilindros y otros.

En realidad, no hay límite preciso en la profundidad de desplante que separe a una

cimentación superficial de una profunda, sin embargo, actualmente se reconoce como

cimentaciones superficiales aquellas en que la profundidad de desplante no es mayor

que dos veces el ancho del cimiento*.

Por lo general se tiene:

Df < 2B = Cimentación superficial

Df > 2B = Cimentación profunda

donde: Df: Profundidad de desplante de la cimentación

B: Dimensión mayor de la cimentación

*Teoría de las Cimentaciones, José A. Cedeno, 2003

41

1.4.8.3- CLASIFICACIÓN DE CIMENTACIONES En este trabajo de investigación se clasificarán las cimentaciones de la siguiente manera: 1.4.8.3.1- CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Las cimentaciones superficiales son construidas normalmente sobre formaciones suaves

localizadas arriba de un estrato rocoso, generalmente estas cimentación son conocidas

como zapatas.

Una Zapata es una ampliación de la base de una columna que tiene por objeto transmitir

las cargas al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo.

Existen diferentes tipos de zapatas, entre los cuales tenemos:

• Zapatas corridas: este tipo de cimentación consta de una franja de losa que corre a

lo largo de la longitud de un muro o pared. El ancho de esta franja es mayor que el

del muro que soporta. La proyección de esta los, es decir, la parte de la franja que

no soporta al muro es analizada como una viga en cantiliver con carga distribuida

igual a la presión ejercida por el suelo sobre el lecho inferior de la placa de la

zapata. Para este tipo de zapatas, el refuerzo principal se coloca de manera

perpendicular al eje del muro.

FIG. 1.1

ZAPATAS CORRIDAS

w = carga distribuida

B = ancho

L = longitud de zapata

d = altura de relleno

Df = nivel de desplante

e = peralte

b = ancho del patin

42

• Zapatas aisladas: las zapatas para columnas individuales son, en general,

cuadradas, se utilizan zapatas rectangulares cuando las restricciones de espacio

obligan a esta selección o si la columna apoyada tiene una sección transversal

rectangular bastante alargada. En su forma más simple, consta de una losa sencilla.

FIG. 1.2 ZAPATAS AISLADAS

P = carga concentrada

B = ancho

e = peralte

d = altura de relleno

Df = nivel de desplante

Las zapatas aisladas debido a las cargas y a las presiones que presentan, se refuerzan

mediante dos capas de acero perpendiculares entre sí y paralelas a los bordes. El área

requerida de contacto se obtiene dividiendo la carga total que incluye el peso de la

zapata que generalmente esta entre un cuatro por ciento y un ocho por ciento de la carga

de la columna, por la presión de contacto seleccionada.

• Zapatas combinadas: este tipo de zapatas se utiliza para soportar 2 o más

columnas, que no necesariamente se encuentran alineadas entre sí, pueden tener

forma rectangular o trapezoidal. También se pueden emplear como soporte para

elementos estructurales que se encuentran a muy poca distancia entre sí.

43

FIG. 1.3 ZAPATAS COMBINADAS

P = carga concentrada

x = distancia entre columnas

e = peralte

d = altura de relleno

Df = nivel de desplante

• Zapata en voladizo: son muy similares a las zapatas corridas, excepto que las

zapatas de la columna exterior y de la columna interior, están unidas por una viga,

la cual es de menor ancho que el de cualquiera de las dos zapatas, a este elemento

se le llama viga de unión. Una de las razones del uso de este elemento es la

reducción de costo, debido a que se necesita menos material que el de una zapata

combinada.

FIG. 1.4 ZAPATAS EN VOLADIZO

P = carga concentrada

e = peralte

x = distancia entre

columnas

Df = nivel de desplante

d = altura de relleno

• Zapatas continuas, reticulares y losas de cimentación: en el caso de columnas

cometidas a cargas considerables, en particular si están soportadas por suelos

44

relativamente blandos o poco uniformes, se recurre a la utilización de

cimentaciones continuas. Estas pueden ser zapatas continuas que soportan todas las

columnas en determinada fila, o dos conjuntos de estas zapatas en franja que se

interceptan formando ángulos rectos, de modo que conformen una cimentación

reticular continua. Para cargas aún mayores o suelos más blandos, las franjas se

traslapan obteniéndose una losa de cimentación.

FIG. 1.5 ZAPATAS CONTINUAS

P = carga concentrada

x = distancia entre

columnas

e = espesor de losa

FACTORES DE DISEÑO DE LAS ZAPATAS

Los tipos mas comunes de cimentaciones superficiales son las zapatas, ya sean corridas,

aisladas o combinadas. La transferencia de esfuerzo básica entre la zapata y el suelo es

por presión de aplastamiento de contacto directo.

Para las cimentaciones del tipo aplastamiento, como el caso de las zapatas, se deben

establecer varias propiedades estructurales de un suelo. Los principales valores son los

siguientes:

• Capacidad de carga admisible: este es el valor máximo admisible para el esfuerzo

de compresión vertical del suelo en la superficie de contacto de los elementos de

apoyo. En la práctica se ha adoptado la costumbre de expresar la capacidad

admisible de carga del terreno como una fracción de la capacidad de carga del

terreno, esto es, dividiendo la capacidad de carga del terreno entre un número

mayor a 1, el cual es denominado Factor de Seguridad (F.S.).

45

Los valores de F.S. pueden variar según: la importancia de la obra, la cantidad y

magnitud de incertidumbres que se manejen. Todo lo anterior se refiere a

problemas de falla en la cimentación; sin embargo, existen casos en donde el

hundimiento representa la condición dominante, y en este caso se deberá usar una

capacidad de carga menor que la admisible para que los hundimientos del suelo

sean compatibles con el funcionamiento de la estructura. Es este valor el que rige

el diseño de las zapatas y se define normalmente como qu.

TABLA 1.6 CORRELACION ENTRE LA RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN Y LA CAPACIDAD DE CARGA

Estudio de Pilotes en Cimentaciones. UCA 1985.

• Compresibilidad: ésta es la cantidad determinada previamente, de consolidación

volumétrica que determina el asentamiento de la cimentación. La cuantificación se

hace, por lo general, en términos de la dimensión real de asentamiento vertical

establecido previamente para la cimentación.

• Presión lateral activa: ésta es la resistencia horizontal ejercida contra estructuras

de contención, concebida en su forma más simple como un equivalente a la presión

de fluidos. La cuantificación se hace en términos de una densidad para el fluido,

equivalente dado en valor de peso unitario real o como un porcentaje del peso

unitario del suelo.

El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.6):

sen ø = CD = ________ AC AO + OC

N qu (Kg/cm²) 10 0,73-0,97 20 1,90-1,94 30 2,91-3,40 40 3,89-4,85 50 4,85-5,82

CD

46

b

Esfuerzo normal

D´

Ø Ø

cOσ´a Ko σ´o σ´o

pero: CD = radio del círculo de falla = σ´o - σ´a

2 AO = c cot ø OC = σ´o + σ´a

2 Por lo que la razón de σ´a respecto a σ´o se llama coeficiente de presión activa de Rankine:

Ka = σ´a = tan² (45 – ø/2)

σ´o

donde: σ´o: presión efectiva vertical σ´a: presión activa de Rankine ø: ángulo

FIG. 1.6 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN ACTIVA

• Presión lateral pasiva: ésta es la resistencia horizontal ofrecida por el suelo a

fuerzas que se aplican contra la masa del suelo. También se define como función

que varía linealmente con la profundidad a la manera de una presión de fluido. La

cuantificación se hace por lo general en términos de un aumento de presión

específica por unidad de profundidad.

C

Tf = c + σ´ tan øD

Esfuerzo cortante

A

47

b

Esfuerzo normal

D´

Ø Ø

cOσ´a Ko σ´o σ´o

σ´p

El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.4.8.6), por

lo que la razón de σ´p respecto a σ´o se llama coeficiente de presión pasiva de Rankine:

Kp = σ´p = tan² (45 – ø/2) σ´o

donde:

σ´o: presión efectiva vertical σ´p: presión pasiva de Rankine ø: ángulo

FIG. 1.7 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN PASIVA

• Resistencia a la fricción: ésta es la resistencia al deslizamiento a lo largo de la

cara de contacto de apoyo de una zapata. Para suelos no cohesivos está dada,

comúnmente, como un coeficiente de fricción para multiplicarlo por la fuerza de

compresión. Siempre que sea posible, se deben establecer límites de esfuerzo como

resultado de una cuidadosa investigación y de las recomendaciones de un ingeniero

especializado en suelos. La mayoría de los reglamentos permiten el uso de valores

presumibles para diseño.

C

Tf = c + σ´ tan ø

DEsfuerzo cortante

A

48

CAPACIDAD DE CARGA DE LAS ZAPATAS

Cuando se aplican cargas a una cimentación de apoyo, se generan esfuerzos en la masa

del suelo. Para concebir estos esfuerzos y deformaciones que les acompañan, es

necesario considerar la naturaleza de los movimientos de la cimentación y de la masa

del suelo. A través de los años, numerosos investigadores han tratado de crear una

metodología para poder predecir el comportamiento interactivo entre el suelo y la

estructura, así como también la capacidad resistente a compresión de los suelos.

A continuación se presentan algunas de las teorías más usadas, se presentan únicamente

generalidades:

• Ecuación de capacidad de carga de Terzaghi: en 1943 fue el primero en

presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga del suelo y de las

cimentaciones. Sus ecuaciones se desprenden de una adaptación de la teoría

desarrollada por Prandtl en 1920, en la cual se analizaba, mediante la teoría

plástica, el efecto de penetración generado por una base en un material o suelo

suave. Esta teoría está desarrollada para estudiar principalmente cimentaciones

superficiales. La ecuación de Terzaghi es fundamental y con ella se puede

calcular la capacidad de carga de una cimentación:

qu = cNc + γ1DfNq + 1/2γ2BNγ

donde: qu: capacidad de carga del suelo c: cohesión del suelo γ1: peso específico del suelo arriba del nivel de desplante Df: profundidad de desplante de la cimentación γ2: peso específico del suelo abajo del nivel de desplante B: ancho de la zapata NcNq Nγ: factores de capacidad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo Nq = tan² (45 + φ/2)e^πtanφ Nc = (Nq + 1)cotφ Nγ = (2Nq + 1)tanφ

49

El valor que rige el diseño de las cimentaciones es la capacidad de carga admisible, qu,

dado que será mucho menor que el valor al cual falla el suelo, dando márgenes de

seguridad necesarios para cubrir todas las incertidumbres que pueda presentar el terreno,

las acciones que provoquen las cargas actuantes, y en general, los problemas que se

presenten durante la construcción.

Se ha observado por el comportamiento de las cimentaciones, que la falla por la

capacidad de carga de las mismas ocurre como resultado de la rotura del suelo por corte.

DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO ZAPATAS

La distribución de estas presiones en la superficie de contacto entre la cimentación y el

suelo es muy variable y muy sensible a las rigideces relativas del suelo, a la cimentación

y a las características propias de la estructura del suelo. Una solución exacta al

problema del cálculo de la distribución de presiones se obtiene para un modelo en que el

suelo se considera como un espacio semi-infinito homogéneo, isótropo y de

comportamiento lineal, bajo una zapata infinitamente rígida.

La distribución de presiones en una zapata en realidad resulta uniforme ya que las

concentraciones de presión en los extremos se reducen por el comportamiento no lineal

del suelo y porque el borde es desplazado ligeramente hacia fuera. A medida que la

magnitud de la carga sobre la zapata crece, la zona de plastificación del suelo se

propaga de los extremos hacia el centro y las presiones son cada vez más uniformes.

FIG. 1.8

DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO COHESIVO BAJO UNA ZAPATA RÍGIDA

50

donde:

1. Distribución teórica para espacio elástico 2. Distribución real para esfuerzos bajos 3. Distribución real para esfuerzos altos 4. Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b

En una zapata rígida sobre suelo cohesivo (de tipo arcilloso), las distorsiones son

radicalmente distintas sobre un suelo granular (arenas o gravas) en que la rigidez

aumenta con el confinamiento al que están sometidas las partículas del suelo: así, la

rigidez es prácticamente nula en los extremos de las zapatas donde ocurren

desplazamientos del suelo hacia fuera y, por tanto, las presiones tienden a cero. Por el

contrario, las presiones son máximas en el centro donde el confinamiento de las

partículas también es máximo.

Cuando el nivel de presiones alcanza valores altos, existe plastificación en las zonas

sometidas a mayores esfuerzos, el centro de la zapata, y las presiones tienden a

uniformarse. FIG. 1.9

DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO GRANULAR BAJO UNA ZAPATA RÌGIDA

donde:

1. Distribución teórica para espacio eslástico

2. Distribución real para esfuerzos bajos

3. Distribución real para esfurzos altos

4. Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b

51

Cuando el elemento de cimentación es flexible, su deformación hace que se reduzcan

las presiones en sus extremos dando lugar a las distribuciones uniformes:

FIG. 1.10

DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO UNA ZAPATA FLEXIBLE

1 = suelo cohesivo 2 = suelo granular

PRESIONES DE DISEÑO, NETA Y ACTUANTE

La presión de diseño, se define como el valor del esfuerzo al cual es suelo falla en corte

al aplicar las cargas sobre la zapata, por lo general, es este valor el que rige el diseño de

las cimentaciones debido a que el valor real es menor a la capacidad de carga admisible.

En las siguientes páginas se denotará la presión de diseño en el terreno por la expresión

ft.

La presión neta, se define como el esfuerzo transmitido al suelo generado por el peso

propio de la zapata, el volumen del suelo sobre la cara superior de la zapata, esta presión

debe ser lo suficientemente grande para contrarrestar o equilibrar las fuerzas producidas

por el suelo y por la zapata. La presión neta se denota como rn, y se puede obtener

mediante la siguiente expresión:

rn = ft – Fc ( γt ( Df – h ) + γc h )

donde:

rn: Presión neta ft: Presión de diseño del terreno Fc: Factor de carga γc: Densidad del concreto reforzado h: Peralte de la zapata

52

Df : Profundidad de desplante de la zapata γt: Densidad del terreno

La presión actuante, se puede definir como la presión que ejerce el suelo para

equilibrar la carga aplicada sobre la cimentación bajo un área determinada.

Esta presión actuante se denota como ra, y se obtiene mediante la siguiente expresión:

ra = Pc

Az

donde:

ra: Presión actuante Pc : Carga factorizada sobre la zapata Az: Área de la zapata

FIG. 1.11 PRESIONES DE DISEÑO NETA Y ACTUANTE

a).

53

1.4.8.3.2- CIMENTACIONES SEMIPROFUNDAS

1.4.8.3.2.1- MICROPILOTES

La primera referencia que se ha encontrado de estos pilotes está en el libro de Sansoni

(1963). Describe los micropilotes como: pilotes de pequeños diámetros, ejecutados con

perforación y rotación y una tubería de entubación de unos 100 mm de diámetro.

Después se coloca una armadura central (de una o más barras) y se realiza el colado

manteniendo la presión del mortero en cabeza con aire comprimido, mientras se extrae

la tubería de entibación. Se utiliza una mezcla con dosificación elevada de cemento y

aditivos.

Este tipo de cimentaciones no está claramente definido, ya que teóricamente solo

existen dos tipos de cimentaciones: superficiales y profundas.

54

Para efectos de aplicabilidad de esta investigación clasificaremos en este tipo de

cimentaciones los Micropilotes, aunque algunos autores los describen como

cimentaciones semiprofundas.

El término “micropilote” es utilizado casi universalmente pero entendido como

refiriéndose a pilotes ejecutados con técnicas diferentes. La confusión procede de que

inicialmente los micropilotes constituyeron un procedimiento de construcción

específico, patentado en Italia en 1950 a 1952 y en muchos otros países por la empresa

FONDEDILE, patentes que, en general expiraron en la década de 1970 – 80.

Los micropilotes se usan cada vez más. Hay cuatro áreas de utilización:

- Como cimentación y/o recalce de estructuras, trabajando básicamente a

compresión.

- Constituyendo cortinas o muros discontinuos para contención de terrenos o

excavaciones profundas.

- Trabajando a flexión, tracción o flexotracción en la corrección de corrimientos o

deslizamientos.

- En paraguas de presostenimiento de túneles tanto en las bocas (es ya una

práctica común en la mayoría de los túneles) como para el paso del terreno muy

difíciles o para la recuperación de tramos con hundimiento.

Se estudiarán los micropilotes como cimentación y recalce de estructuras, ya que su

utilización es la más importante para nuestra investigación de aplicabilidad de

cimentaciones en edificaciones.

Ventajas del uso de micropilotes en recalces de estructuras:

- Los equipos son de tamaño reducido y pueden trabajar incluso dentro de un

sótano.

- Puede instalarse en cualquier tipo de terreno y atravesar, si es necesario,

inclusiones duras (como por ejemplo elementos de cimentaciones antiguas de

hormigón o mampostería).

- Su perforación es muy similar a la de un sondeo, lo que permite detectar,

eventuales cavidades (y en su caso rellenarlas a través de perforación).

- Dada su esbeltez trabaja casi exclusivamente por fuste por lo que no es preciso

que la punta se apoye en un estrato mas compacto.

55

- La realización de las perforaciones no transmiten sacudidas a las estructuras a

recalzar ni a edificios adyacentes.

- Los micropilotes pueden realizarse casi en perfecta adherencia con otros

edificios y estructura.

- Como se trata de un elemento de construcción sencilla el proyecto puede ser

flexible y ajustarse a las posibles condiciones del terreno (y de la cimentación) si

son cambiantes.

Desventajas del uso de los micropilotes:

- La relación entre el coste y la carga admitida es mayor en un micropilote que en

un pilote.

- Muchos procesos de cálculo son empíricos y solo se pueden contrastar con

pruebas de carga si se pretende aprovechar al máximo la resistencia del

micropilote.

- La calidad depende mucho de que el proceso de ejecución sea riguroso.

FACTORES DE DISEÑO DE LOS MICROPILOTES

Para el cálculo de la Carga Admisible a Compresión de los micropilotes, se mencionan

los siguientes métodos:

Método Tradicional para micropilotes:

Este método fue propuesto por Lizzi (1985), que es el siguiente:

Pult = π D L K I

donde: Pult: carga última del micropilote a compresión (no incluye coeficientes de seguridad ACI-318R-2000, secc.9.3).

D: diámetro nominal L: longitud K: coeficiente que representa el rozamiento por el fuste. I: coeficiente adimensional que depende del diámetro.

56

TABLA 1.7 COEFICIENTES DE LA FORMULA DE LIZZI,1985

SUELO K (Kpa) DIÁMETRO (cm) I

Blando 50 10 1.00 Suelto 100 15 0.90 De compacidad media 150 20 0.85 Muy compacto, grava, arena 200 25 0.80

Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003.

Con el método se desprecia la resistencia por la punta y la resistencia por el fuste

utilizada puede excederse del valor máximo que suele admitirse para los pilotes

convencionales, que es de 100 Kpa. La diferencia es achacada por Lizzi al contacto

estrecho entre el pilote, el terreno y el diámetro real, mayor que el nominal. Con este

método se ha calculado la intensa mayoría de los micropilotes.

Método Convencional: En rigor la resistencia de un micropilote vale:

PN = 1 ( π D L qs 1 + πD² qp 1 ) F1 F2 4 F3 donde: PN: carga nominal admisible del pilote F1: factor de mayorización de cargas F2F3: coeficientes de seguridad de minorización de resistencias, fuste y punta D: diámetro nominal (de perforación) L: longitud qs: rozamiento por el fuste qp: carga de hundimiento por la punta Los valores de los coeficientes de seguridad propuestos por Oteo (2001) son:

TABLA 1.8 VALORES DE COEFICIENTE F1 (OTEO, 2001)

F1 RESPONSABILIDAD IMPORTANCIA ECONÓMICA

1.25 Poca Poca 1.40 Poca Bastante 1.50 Grande Grande

F2 = 1.5 a 2 F3 = 3 a 4 Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003.

57

En realidad la resistencia por la punta es mucho menor que la resistencia por el fuste, y

en pilotes largos puede no llegar a movilizarse (ver en apartado de Distribución de

carga). Por lo tanto puede despreciarse.

La resistencia por el fuste admisible en cada estrato “i” vale:

qsia = c´i + ( σ´vio + σ´iny ) tanθ Fc F φ donde: qsia: resistencia admisible c´i: cohesión efectiva σ´vio: presión vertical efectiva antes de la construcción del micropilote. σ´iny: sobrepresión de inyección efectiva φi: ángulo de rozamiento efectivo F φ: coeficiente de seguridad parcial de minorización del rozamiento tgφ

En síntesis la resistencia del micropilote vale:

Pn = 1 Σ π D Li qsi

F1

En general se pueden adoptarse los siguientes valores de los coeficientes de seguridad

para cohesión y rozamiento (Oteo, 2003).

Fc = 1.25 a 1.60 y Fφ = 1.25 a 1.35

En la práctica el valor de c´ será muy bajo tanto en arenas como en arcillas normalmente

consolidadas, y en cambio será mas significativo para los tramos de micropilotes que

atraviesen arcillas muy preconsolidadas o rocas.

RESISTENCIAS ÚLTIMAS POR FUSTE

A continuación se incluye una tabla según la guía FHWA (Federal Highway

Adminstration, 1997), con las resistencias para el fuste de un micropilote:

58

TABLA 1.9 RESISTENCIA ÚLTIMA qs, POR FUSTE EN Kpa

Resistencia última por fuste Descripción del Terreno

Tipo A Tipo B Tipo C Tipo D Limo y arcilla (con algo de arena) (blando, plasticidad media) 35-70 35-95 50-120 50-145 Limo y arcilla (con algo de arena) (rígido, denso a muy denso) 50-120 70-190 95-190 95-190 Arena (con algo de limo) (fina, suelta a medio densa) 70-145 70-190 95-190 95-240 Arena (con algo de limo y grava) (fina a gruesa, medio densa a muy densa) 95-215 120-360 145-360 145-285 Grava (con algo de arena) (a medio densa a muy densa) 95-265 120-360 145-360 145-385 Till glaciar (limo, arena y grava) (medio denso a denso con cementado) 95-190 95-310 120-310 120-335

Esquistos blandos (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 205-550 - - -

Pizarras y esquistos duros (moderadamente fracturado, casi sin meteorización) 515-1380 - - -

Calizas (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 1035-2070 - - -

Arenisca (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 520-1725 - - -

Granito y basalto (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 1380-4200 - - -

Uso en Recalces de Micropilotes, Manuel Ruíz (2003)

Tipo A: Inyección por gravedad solamente Tipo B: Inyección a presión, en retirada Tipo C: Inyección primaria por gravedad y una fase de inyección secundaria global a presión Tipo D: Inyección primaria por gravedad y una o mas fases de inyección secundaria global a presión

Debe observarse que es posible y bastante corriente, utilizar el método B en rocas

fracturadas en el tramo final de un micropilote que atraviesa rellenos y/o suelos blandos.

En ese caso el terreno tiene una resistencia última del orden del 50% mas que la que

correspondería a pilotes ejecutados por el método A.

ASENTAMIENTO DE LA RESISTENCIA POR EL FUSTE

Suele admitirse que la resistencia por el fuste de un micropilote se moviliza totalmente

con deformaciones verticales del orden del 0.5% al 1.0% del diámetro del micropilote.

Puesto que los micropilotes tienen diámetros inferiores a 25 cms, los asentamientos

necesarios para movilizar la resistencia por el fuste de 2 mm. Las pruebas de carga

confirman que los asentamientos necesarios para movilizar totalmente la resistencia

pueden ser algo mayores, pero siempre de orden milimétrico.

59

En la Fig. 1.12 (Oteo, 2001), se comparan varias pruebas de carga en micropilotes.

Puede observarse que los asentamientos pueden llegar a ser del orden del 10.0% del

diámetro. Los valores de la resistencia unitaria por el fuste superan siempre los 100 KN,

que es el tope marcado por las inducciones y la práctica de los pilotes de

desplazamiento; el incremento de resistencia por el fuste tiene dos causas:

a) El diámetro real es mayor que el nominal y la resistencia por el fuste suele

calcularse a partir del diámetro nominal.

b) La presión / inyección, consolidan el terreno en el perímetro de la zona del

bulbo. FIG. 1.12

COMPARACIÓN DE MICROPILOTES EN VARIOS TIPOS DE SUELOS

1.4.8.3.3 CIMENTACIONES PROFUNDAS

1.4.8.3.3.1 PILOTES

Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y madera usados para

construir cimentaciones, que son profundas y más caras que las cimentaciones

superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes frecuentemente es necesario para

garantizar la seguridad estructural. Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar,

60

que generalmente tienen un diámetro mayor a la de los pilotes con o sin refuerzo de

acero y con o sin un fondo ampliado.

Las cimentaciones con pilotes se requieren en circunstancias especiales, entre las cuales

tenemos:

- Cuando el estrato superior del suelo es altamente compresible y demasiado débil

para soportar las cargas transmitidas por la estructura, se usan pilotes para

transmitir las cargas al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más

fuerte.

- Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes

resisten por fricción mientras soportan a una carga vertical transmitidas por la

estructura.

- En muchos casos, los suelos en el sitio de una estructura propuesta pueden ser

expansivos y colapsables y se pueden extender hasta una gran profundidad

debajo de la superficie del terreno. Estos suelos se expanden y contraen

conforme al contenido de agua (aumentan o disminuyen), y la presión de

expansión de tales suelos es considerable.

- Las cimentaciones de algunas estructuras como torres de transmisión,

plataformas fuera de la costa y losas de sótano debajo del nivel freático son

sometidas a fuerzas de levantamiento, recurriendo al uso de los pilotes.

- Los estribos y pilas de puentes son construidos usualmente sobre cimentaciones

con pilotes para evitar la posible perdida de capacidad de carga que una

cimentación superficial podría padecer debido a la erosión del suelo en la

superficie del terreno.

PARTES DE UN PILOTE

Los pilotes generalmente están construidos por tres partes:

• Cabeza: parte superior del pilote, es la que recibe los golpes sucesivos del maso

para su hincado.

• Fuste: es el cuerpo del pilote; es una columna estructural que está fija a la punta

y generalmente empotrado en la cabeza.

61

• Punta: es la parte final del contacto permanente con el suelo y se protege con un

casco metálico.

CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES

• Según su forma de trabajo:

- De punta: desarrollan su capacidad soportante apoyándose directamente en un

estrato resistente.

- De fricción: desarrollan su capacidad de carga por la fricción lateral que generan

contra el suelo que lo rodea.

• Según el material de los que están construidos:

- Concreto (prefabricados e hincados y colados “in situ”)

- Acero

- Madera

SEGÚN SU FORMA DE TRABAJO:

a) Pilotes que trabajan de Punta:

Es cuando un pilote trabaja principalmente como una columna que soporta una

carga en su extremo superior y apoya su punta sobre un estrato firme (ver Fig. 1.13

a y 1.13 b). Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de capas

de roca o material rocoso en un sitio dentro de una profundidad razonable, los

pilotes se pueden extender hasta el estrato rocoso y si en vez de un lecho de roca se

encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad

razonable, los pilotes se extenderán unos pocos metros dentro del estrato duro.

Entonces la carga última de los pilotes se expresa como:

Qu = Qp + Qs

donde:

Qu : carga última del pilote

Qp: carga tomada en la punta del pilote

62

Qs: carga tomada por la fricción superficial desarrollada lateralmente en el pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote) Si Qs es muy pequeña, entonces: Qu = Qp Ecuación generad de Meyerhof (1976) para el cálculo de capacidad de carga por punta: Qp = Ap (cNc* + q´Nq* )…………… Ecuación Meyerhof donde:

Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote

c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de seguridad de carga, a partir del ángulo de fricción interna del suelo (φ).

TABLA 1.10 FACTORES DE SEGURIDAD DE CARGA, MEYERHOF

φ Nc Nq Nγ Nq/Nc tan φ φ Nc Nq Nγ Nq/Nc tan φ

0 5,14 1,00 0,00 0,20 0,00 26 22,25 11,85 12,54 0,53 0,49 1 5,38 1,09 0,07 0,20 0,02 27 23,94 13,20 14,47 0,55 0,51 2 5,63 1,20 0,15 0,21 0,03 28 25,80 14,72 16,72 0,57 0,53 3 5,90 1,31 0,24 0,22 0,05 29 27,86 16,44 19,34 0,59 0,55 4 6,19 1,43 0,34 0,23 0,07 30 30,14 18,40 22,40 0,61 0,58 5 6,49 1,57 0,45 0,24 0,09 31 32,67 20,63 25,99 0,63 0,60 6 6,81 1,72 0,57 0,25 0,11 32 35,49 23,18 30,22 0,65 0,62 7 7,16 1,88 0,71 0,26 0,12 33 38,64 26,09 35,19 0,68 0,65 8 7,53 2,06 0,86 0,27 0,14 34 42,16 29,44 41,06 0,70 0,67 9 7,92 2,25 1,03 0,28 0,16 35 46,12 33,30 48,03 0,72 0,70 10 8,35 2,47 1,22 0,30 0,48 36 50,59 37,75 56,31 0,75 0,73 11 8,80 2,71 1,44 0,31 0,19 37 55,63 42,92 66,19 0,77 0,75 12 9,28 2,97 1,69 0,32 0,21 38 61,35 48,93 78,03 0,80 0,78 13 9,81 3,26 1,97 0,33 0,23 39 67,87 55,96 92,25 0,82 0,81 14 10,37 3,59 2,29 0,35 0,25 40 75,31 64,20 109,41 0,85 0,84 15 10,98 3,94 2,65 0,36 0,27 41 83,86 73,90 130,22 0,88 0,87 16 11,63 4,34 3,06 0,37 0,29 42 93,71 85,38 155,55 0,91 0,90 17 12,34 4,77 3,53 0,39 0,31 43 105,11 99,02 186,54 0,94 0,93 18 13,10 5,26 4,07 0,40 0,32 44 118,37 115,31 224,64 0,97 0,97 19 13,93 5,80 4,68 0,42 0,34 45 133,88 134,88 271,76 1,01 1,00 20 14,83 6,40 5,39 0,43 0,36 46 152,10 158,51 330,35 1,04 1,04 21 15,82 7,07 6,20 0,45 0,38 47 173,64 187,21 403,67 1,08 1,07 22 16,88 7,82 7,13 0,46 0,40 48 199,26 222,31 496,01 1,12 1,11 23 18,05 8,66 8,20 0,48 0,42 49 229,93 265,51 613,16 1,15 1,15 24 19,32 9,60 9,44 0,50 0,45 50 266,89 319,07 762,89 1,20 1,19 25 20,72 10,66 10,88 0,51 0,47

Braja M. Das, 2001

63

Ecuación general de capacidad de carga del pilote según Terzaghi: Rp = B² (cNc* + γDfNq* + 0.4γBNγ*)………….Pilotes cuadrados Rp = Πr² (cNc* + γDfNq* + 0.6rγNγ*)…………..Pilotes circulares

donde: Rp: resistencia del pilote

c: cohesión del suelo γ: peso específico del suelo Df: profundidad de desplante de la cimentación B: base del pilote Πr²: área del pilote NcNq Nγ: factores de seguridad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo

b) Pilotes que trabajan por Fricción:

Estos trabajan cuando no se tiene un estrato de roca o de material rocoso a una

profundidad considerable. Estos pilotes resultan muy largos y antieconómicos, para

este tipo de condición del subsuelo, los pilotes se hincan a través de materiales más

blandos a profundidades específicas. La carga última de estos pilotes es expresada

por la ecuación:

Qu = Qs

Esta fórmula se expresaría así, si el valor de Qp es relativamente pequeño (ver figura

1.13 c).

Ecuación general para el cálculo de resistencia por fricción:

Qs = Σ p ΔLf donde:

Qs: carga tomada por la fricción p: perímetro de la sección del pilote.

ΔL: longitud incremental del pilote sobre la cual “p” y “f” se consideran ctes. F: resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad.

64

FIG. 1.13 DISTRIBUCIÓN DE CAPACIDAD DE CARGA

FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL

Para contar con una razonable seguridad en los diseños y construcción de cimientos

profundos, que aseguren que la estructura esté libre de daños, pérdidas y riesgos

inaceptables. En los análisis geotécnicos de estabilidad se introduce el concepto de

Factor de Seguridad Global, este factor se puede definir como la relación de la

resistencia de la cimentación dividida entre los efectos de las cargas aplicadas.

Los principales parámetros que afectan el margen de seguridad en la ingeniería de

cimentaciones son: la variabilidad de carga, el efecto de éstas y la resistencia del suelo

(Meyerhof 1970). Se acostumbran rangos de factor de seguridad global comprendidos

entre 2 y 3; el valor superior se aplica a condiciones de carga y de servicios normales,

mientras que el menor al caso de cargas máximas y en las peores condiciones

ambientales.

65

Según el enfoque de factor de seguridad global, para obtener la carga admisible de un

pilote o pila, se divide la resistencia o capacidad de carga última entre un determinado

factor de seguridad.

Pueden requerirse factores de seguridad grandes cuando las condiciones del suelo son

muy variables o si la investigación del subsuelo es insuficiente, así como para el caso de

pilotes en arcillas o de elementos en suelos arenosos o limos sueltos, donde la capacidad

de carga puede disminuir con el tiempo.

Qadm = Qp / FS

Donde:

Qadm : capacidad de carga admisible del pilote.

Qp: resistencia en la punta del pilote

FS: Factor de seguridad

SEGÚN EL MATERIAL DE LOS QUE ESTÁN CONSTRUIDOS:

PILOTES DE CONCRETO

Se utilizan para soportar cargas pesadas, cuando se quiere que tenga una larga duración

y hay temor de que haya variaciones en el nivel del agua subterránea. En relación a esto

último esta es una de sus cualidades que puede emplearse por encima del nivel freático,

en esta forma se logra a veces un ahorro notable, porque se reduce el volumen de la

excavación y el de concreto a poner en su fundación.

Su longitud es variable y la sección puede ser cuadrada, octogonal, rectangular y

circular.

Por la forma de colocación y construcción, los pilotes de concreto pueden ser:

prefabricados e hincados ó colados en “in situ”.

- Pilotes prefabricados e hincados: Pueden hincarse en estratos compactos, sin peligro

de rotura, salvo casos relativamente raros (terrenos de alubión con grandes piedras o

terrenos arenosos muy compactos que exigen una perforación del pilote).

66

Características Generales:

Los pilotes de concreto prefabricados e hincados generalmente pueden construirse de

formas circulares, cuadradas y hexagonales (Fig. 1.14); la longitud de estos puede variar

hasta alcanzar los 30 mts y sobrepasarlos ya que la longitud depende esencialmente de

la naturaleza del terreno en que han de ser hincados y de la carga que deben soportar.

Sus dimensiones trasversales varían de 0.30 a 0.60 mts, por su peso que es muy

considerable, pueden hincarse verticales o inclinados.

Se admite como longitud limite 50 veces la dimensión transversal más pequeña; pero se

puede llegar hasta 80 veces esta dimensión.

L = 80 b

Es necesario disponer de aparatos de mantenimiento y de maquinarias y equipo

apropiados para la hinca de los pilotes, de lo contrario es necesario proceder al

empalmado, operación que consiste un pilote a continuación de otro (caso que es remoto

ya que se cuenta en nuestro país con la maquinaria y el equipo necesario, generalmente

las profundidades en nuestro país oscilan entre 20 mts)

Los pilotes prefabricados también son Preforzados usando acero de alta resistencia. La

resistencia última del acero es aproximadamente 1,800 MN/m². Durante el colado de

estos pilotes, el acero es pretensado desde 900 a 1,300 MN/m², y se vierte el concreto

alrededor de ellos. Después del curado se cortan, produciendo así una fuerza de

compresión sobre la sección del pilote.

Fig. 1.14 SECCION TRANSVERSAL DE PILOTES DE CONCRETO

67

Ventajas de los pilotes prefabricados e hincados.

- Presentan resistencia a los ataques químicos y biológicos.

- Capacidad soportante muy alta.

- Si el estrato en que se hincan los pilotes es duro, se podrá hacer uso de inyección

de agua, a lo largo de el centro del pilote se colocara un tubo que permita el paso

del liquido.

- Como son pilotes hincados, en un estrato de suelo friccionante pueden llegar a

alcanzar elevadas resistencias por fricción.

- Puede ahorrarse tiempo y dinero, pues su hincado es rápido.

- Son inherentemente duraderos, salvo en el caso de que el suelo contenga ácidos.

- Resistencia a la flexión.

Desventajas de los pilotes prefabricados e hincados.

- Es difícil aumentar o reducir su largo.

- Los tamaños grandes precisan para su manejo e hincado, un equipo y maquinaria

pesada y cara.

- El comienzo de una obra puede demorarse al no ser posible obtener los pilotes

mediante compra.

- Las posibles roturas que se presentan en el transporte, manejo e hincado,

constituyen una amenaza de atraso de la construcción.

- El transporte puede ser costoso, principalmente cuando el numero de pilotes a

emplear es pequeño y hay que organizar un equipo especial para cargar y

descarga de estos elementos.

- Pilotes colados “in situ”: son pilotes excavados en los que se abre un agujero con una

perforadora ya sea la dimensión que se necesite para luego proceder a la colocación de

el acero estructural y luego se llena este con concreto (ver fig. 1.15). La forma de

soportar las cargas puede ser por fricción o de punta.

Características Generales:

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Existen una gran variedad de tipos de pilotes colados “in situ” la gran mayoría sujetos a

patentes. En general podemos decir que estos tienen las siguientes ventajas:

- No necesitan espacio de almacenaje.

- No necesitan equipo y maquinaria para su manejo.

- No sufren daños por maniobras de manejo e hincado.

Sin embargo estos pilotes deben estar sometidos a una constante supervisión por parte

del Ingeniero o el encargado de la obra, pues deben tomarse ciertas precauciones en el

colado y la colocación de la armadura, para lograr que este alcance su resistencia de

diseño.

Los pilotes colados “in situ” se dividen en dos tipos:

1- Con tubo recuperable o sin ademado permanente.

2- Con tubo o ademado permanente.

Los pilotes con tubos recuperables se usan en los siguientes casos:

• Cuando la excavación no corre peligro de cerrarse o derrumbarse.

• Donde el agua no llega a la excavación.

• Cuando no se perjudique a un pilote recién construidos, al hacer las

excavaciones para los pilotes vecinos.

Los pilotes con tubos permanentes se usan en los lugares donde no existen los

inconvenientes antes mencionados.

El ademe permanente es generalmente de lámina delgada corrugada, en Bogotá

(Colombia) se han usado tubos de asbesto cemento, en nuestro país se utilizan tubos de

hierro galvanizados y tubos de PVC.

A continuación se describen los tipos más comunes de pilotes utilizados, que se

muestran en la siguiente tabla 1.11:

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TABLA 1.11 DIFERENTES TIPOS DE PILOTE DE CONCRETO

TIPOS DE PILOTES DESCRIPCION VENTAJAS DESVENTAJAS UTILIZACION

SIN ADEME PERMANENTE

Pilotes mega

Formados por la unión de elementos prefabricados de concreto

Puede usarse en espacios limitados y con equipo reducido

Son patentados Son utilizados para recalces.

Pilotes simplex

Formado con tubo de punta irrecuperable y de concreto, se saca después del tubo

Como no va armado puede ser mas económico

Por no tener armadura puede fallar por tensión

Se usan en edificios pequeños

Pilotes simplex de bulbo

Se construye valiéndose de tubo recuperable formando un bulbo de concreto en la punta

Trabaja bien cuando interviene la fricción negativa

Por ser patentados hay que pagar el derecho de usarlos

Se utilizan sobretodo cuando el pilote trabaja por punta

Pilotes express

Se fabrica usando un tubo recuperable, el concreto se comprime con mazo manejado con bomba

Es muy resistente. Se necesita equipo adicional para su construcción

Pueden usarse en una variedad de edificaciones

Pilote vibro

Se hinca el tubo luego se rellena de concreto, se saca el tubo con equipo especial

El concreto para este tipo se vibra.

Se necesita equipo especial para su construcción

Como lleva armadura es muy resistente y puede usarse en edificaciones grandes

Pilote franki

Se hinca el tubo, se concretea la base ensanchada, se rellena el fuste y se extrae el tubo que tiene un tapón

Es resistente por su base ensanchada Son patentados. Es usado en diversidad

de edificaciones

CON ADEME PERMANENTE

Pilote button bottom

Se hinca el tubo hasta el lechazo con punta de hormigón prefabricado, se rellena el tubo y se extrae

Se hincan los tubos en terrenos rocosos

Como son hincados producen vibraciones que pueden dañar a los pilotes adyacentes

Se utiliza para atravesar estratos de terrenos de gran resistencia

Pilote cobi

Con mandril neumático se hinca la envolvente y se rellena de concreto

La envolvente los protege de cualquier corrimiento de tierra hasta alcanzar su resistencia

Por no recuperar el tubo, tienen un costo alto

Es de múltiples usos.

Pilote raimond estándar

Se hinca una chapa de acero con mandril, se retira el mandril y se rellena de concreto

Economía por la conicidad del pilote, posibilidad de hincarlos en terrenos duros,

Su hincado puede producir vibraciones dañinas

Se utiliza en zonas de estrato resistente, pueden llevar armadura longitudinal

Braja M. Das,2001 / Peck,1994

Ventajas de los pilotes de concreto.

- Los tubos livianos pueden manipularse e hincarse fácilmente.

- Las variaciones de longitud no constituyen un problema serio, pues el largo del

caño puede variarse.

- Los tubos pueden retirarse en trozos cortos y armarse en la obra.

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- Se economiza dinero al eliminar el exceso de refuerzo, el cual se coloca para

soportar

los esfuerzos de manipuleo.

- Se puede formar un extremo ensanchado en la base.

Desventajas de los pilotes de concreto.

- Un pequeño corrimiento de tierra alrededor del pilote sin reforzar puede

quebrarlo.

- Un empuje hacia arriba, actuando sobre el fuste de un pilote sin camisa

permanente, ni el refuerzo puede destruirlo al hacerlo trabajar a tensión.

- La mayoría de este tipo son patentados.

- La mayor parte de este tipo de tubos hay que importarlos..

- No puede usarse en estructuras de ríos o marítimas, sin una adaptación especial.

- Podría ocurrir estrangulamiento, en suelos derrumbables, a menos que se tenga

un gran cuidado cuando se llene el fuste con concreto.

- Es difícil efectuar un buen colado si el tubo del pilote se llena de agua, a no ser

que se emplee aire comprimido.

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FIG. 1.15 UTILIZACIÓN DE TIPOS DE PILOTES

donde: (a, b, c, d, e): utilización de ademe

(f, g): sin ademe

PILOTES DE ACERO

Los pilotes de acero ó metálicos, debido a su alta resistencia, son capaces de absorber

grandes esfuerzos de flexión y de cortante con secciones de áreas pequeñas.

El acero que se utiliza existe en varias categorías, de acuerdo a la resistencia que pueden

desarrollar. Debido al riguroso control de la calidad en la fabricación, las propiedades

estructurales están bien definidas, por lo que al asignarle los esfuerzos permisibles, los

resultados obtenidos son confiables.

Con pilotes de acero es posible atravesar estratos duros con relativa facilidad sin que se

dañen; también, por el poco volumen del terreno que desplazan durante el hincado, se

reducen los riesgos de que ocurra levantamiento de terreno que pueda arrastrar pilotes

hincados previamente.

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Se pueden alcanzar profundidades considerables, hasta 60 mts, y se pueden transmitir

grandes cargas hasta 60 toneladas con secciones normales y hasta más de 300 toneladas

con secciones compuestas.

Existen varias secciones de pilotes de acero, entre las más usuales están: las “I”, “H”, y

Tubulares. Las secciones “I” ó “H” (Fig. 1.16), si no están apoyadas en un estrato

resistente o en roca desarrollan su capacidad de carga por fricción, porque poseen un

área lateral bastante grande; mientras que las Tubulares pueden desarrollar una

capacidad por la punta muy elevada, ya sea porque se coloque una tapadera metálica en

la punta ó porque el terreno que se aprisiona dentro del tubo forma un tapón y realiza la

misma función que la tapadera metálica.

Ventajas de los pilotes de acero.

- Resistencia elevada a la compresión y a la flexión.

- Posibilidad de alcanzar grandes profundidades mediante soldadura de elementos

metálicos con otros.

- Posibilidad de atravesar estratos resistentes.

- Soportan todas las fuerzas y golpes que se les aplica durante el hincado.

- Tienen mayor maniobrabilidad y menor requerimiento de espacio durante la

colocación.

Desventajas de los pilotes de acero.

- Ciertos estudios demuestran que pueden haber pérdida de espesor por la

corrosión, dañinas a la capacidad soportante del pilote.

- Para que sean durables necesitan tratamientos o revestimientos.

- Se incrementa el costo, debido al tipo de maquinaria que se utiliza para el

hincado.

- Material relativamente caro.

- Alto nivel de ruido durante el hincado.

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FIG. 1.16 SECCIÓN TRANSVERSAL DE PILOTES DE ACERO

PILOTES DE MADERA

A diferencia de otros materiales de construcción, la madera no es un producto

elaborado, sino orgánico que generalmente se usa en su estado natural.

La resistencia estructural de la madera depende de su densidad, sus defectos naturales y

del contenido de humedad.

El crecimiento transversal de un árbol se verifica de adentro hacia fuera, es decir, que se

van formando una serie de anillos concéntricos a medida que transcurre el tiempo; la

banda extrema de anillos situada detrás de la corteza se le llama albura y las bandas

interiores son llamadas duramen. La albura está formada por células vivas y por ella se

conduce a sabia desde la raíz hasta las hojas; el duramen está formado por células

inactivas. La madera de albura es menos resistente que la de duramen, pero es muy útil

por su poder absorbente cuando la madera va a ser tratada para su preservación.

Los pilotes de madera son en general troncos de árboles a los que se les ha quitado las

ramas y la corteza. La longitud máxima de la mayoría de estos pilotes es entre 10 y 20

mts. Para calificar como pilotes, la madera debe estar recta, sana y sin defectos.

El Manual de Práctica No.17 (1959), de la American Society of Civil Engineers, divide

los pilotes de madera en tres clases:

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- Clase A: soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del extremo más grueso

(cabeza) debe ser de 356 mm.

- Clase B: se usan para soportar cargas medias. El diámetro mínimo de la cabeza

debe ser entre 305 y 330 mm.

- Clase C: se usan en trabajos provisionales de construcción, se emplean

permanentemente para estructuras cuando todo el pilote está debajo del nivel

freático. El diámetro mínimo de la cabeza debe ser 305 mm.

En todo caso, una punta de pilote debe tener un diámetro no menor de 150 mm. Los

pilotes de madera no pueden resistir altos esfuerzos de hincado; por lo tanto, la

capacidad del pilote es por lo general limitada aproximadamente a un valor entre 220 y

270 KN.

La parte superior de los pilotes de madera también se pueden dañar durante la operación

del hincado, para evitar daños a la parte superior del pilote se usa una banda o capuchón

metálico. El agrietamiento de las fibras de madera causado por el impacto del martillo

se denomina Astillado.

El empalme de los pilotes de madera debe evitarse (Fig. 1.17), particularmente cuando

de espera que soporten cargas de tensión o carga lateral; sin embargo, si el empalme es

necesario, este se hace usando camisas de tubo o fajas metálicas y pernos. La longitud

de la camisa del tubo debe ser por lo menos 5 veces el diámetro del pilote. Los extremos

a tope deben ser cortados a escuadra, de tal manera que se mantenga un contacto pleno.

Las porciones empalmadas deben ser cuidadosamente desvastadas de manera que se

ajuste estrechamente al interior de la camisa del tubo. En el caso de fajas metálicas y

pernos, los extremos a tope deben también ser cortados a escuadra. Además, los lados

de la porción empalmada deben desbastarse para poder ser colocadas las fajas.

Ventajas de los pilotes de madera.

- Facilidad de manipulación y transporte.

- Se pueden cortar a la longitud requerida, una vez hincados.

- Pueden deshincarse con facilidad.

- Es fácil obtener las longitudes y secciones que se usarán (en algunos casos).

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Desventajas de los pilotes de madera.

- Dificultad de obtener troncos largos y rectos.

- Sus puntas y cabezas pueden dañarse al hincarse.

- En suelos duros penetran dañándose o no penetran.

- Necesidad ardua de trabajo para empalmarlos, con el fin de aumentar su

longitud.

- Corta duración, a menos que sean tratados con preservantes.

- No pueden usarse por sobre el nivel freático, pues se pudren.

FIG. 1.17 EMPALME DE PILOTES DE MADERA

1.4.8.3.3.2 PILAS DE CONCRETO

En la ingeniería de cimentación el término Pila tiene dos significados diferentes:

• Una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función igual al de

una zapata, es decir, transmitir las cargas a un estrato capaz de soportarla, sin

peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en

76

contraste con una zapata, la relación de la profundidad y del ancho de una pila

de cimentación es mucho mayor que el de una zapata.

• 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.

La base de una pila puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar

apoyada en pilotes o micropilotes. Un cuerpo de pila situado en el extremo de un puente

y sujeto al empuje de la tierra se denomina “estribo”.

Las pilas se clasifican de acuerdo con la manera de transmitir la carga estructural al

suelo adyacente (ver fig. 1.18). Pueden ser:

- Pila de eje recto: se extienden a través de un estrato superior de suelo pobre, y

su punta descansa sobre un estrato de suelo, con fuerte capacidad de carga o en

roca. La pila se adema con tubos de acero cuando se requiere (como los pilotes),

para estas pilas, la resistencia de la carga aplicada se desarrolla en la punta y

también en la fricción lateral en el perímetro del fuste e interfaz del suelo. Las

pilas rectas también se extienden en un estrato de roca subyacente.

- Pila de campana: consiste en una pila recta con una campana en el fondo que

descansa sobre el suelo de buena capacidad de carga. La campana se construye

en forma de domo ó con lados inclinados. Para este caso los trépanos

comercialmente disponibles forman ángulos de 30º y 45º con la vertical.

Ecuación general para el cálculo de capacidad de carga:

Qp = Ap (cNc* + q´Nq* + 0.3γDbNγ*) donde:

Qp: capacidad de carga de la pila Ap: área de la punta de la pila

c: cohesión del suelo que soporta la punta de la pila q´: esfuerzo vertical efectivo al nivel del fondo de la pila perforada Nc*, Nq* Nγ*: factores de capacidad de carga

γ: densidad Db: diámetro de la base

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Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar y que generalmente tienen un diámetro

aproximadamente de 750 mm ó más. El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene

las siguientes ventajas:

- Se puede usar una sola pila de concreto en vez de un grupo de pilotes.

- Se construyen antes que las operaciones de nivelación estén completas.

- Cuando se hincan pilotes con un martinete, las vibraciones del terreno ocasionan

daños a estructuras cercanas, lo que no ocurre con las pilas.

- No hay ruido de martilleo durante su construcción.

- Como la base de una pila de concreto puede ampliarse, esto proporciona una

gran resistencia a la carga de levantamiento.

- La superficie sobre la cual la base de la pila se construye, puede ser

inspeccionada visualmente.

- Las pilas de concreto tienen alta resistencia a las cargas laterales.

FIG. 1.18 TIPOS DE PILA