Cimentaciones sobre pilotes en Roca. Pruebas de hinca (página 3)

1.1.1.3 Normativa Internacional Dentro de la Normativa de ámbito internacional, se pueden distinguir los siguientes códigos o Manuales que pueden ser usados en la valoración de la resistencia por fuste de un pilote empotrado en roca: Código de Pilotes Australiano (1980). Manual de Ingeniería de Cimentaciones del Canadá (1985). Normativa AAHSTO (1997; 1998). Eurocódigo 7: Proyecto Geotécnico (1999). 1.1.1.3.1 Código de Pilotes Australiano (1980) En el Borrador del Código de Pilotes Australiano, citado en Williams et al. (1980), la resistencia admisible por fuste del pilote empotrado en roca viene dada por la expresión: exp. 1.34 Aplicándole a dicha expresión un coeficiente de seguridad de 3 se obtiene: exp. 1.35 1.1.1.3.2 Manual de Ingeniería de Cimentaciones del Canadá (1985) Este Manual establece una resistencia última por fuste comprendida entre los siguientes valores extremos: exp. 1.36 1.1.1.3.3 Normativa AAHSTO (1997; 1998) El Manual de la AAHSTO (1997) recomienda los siguientes límites inferior y superior: exp. 1.37 Posteriormente, en las AASHTO, “Standard Specifications for Highways Bridges” (1998) se establece un doble criterio para la estimación de la resistencia por fuste de la parte del pilote empotrada en roca, dependiendo de que la resistencia a compresión simple de dicha roca sea menor o igual que 1.9 MPa. De esta forma, si la resistencia a compresión simple de la roca donde se empotra el pilote es menor o igual que 1.9 MPa se ha de considerar la expresión: exp. 1.38

1.1.1.3.4 Eurocódigo 7: Proyecto Geotécnico (1999)

Dentro de los distintos Eurocódigos Estructurales existentes, el “Eurocódigo 7: Proyecto Geotécnico” constituye una norma de aplicación a aspectos geotécnicos del proyecto de obras de edificación e ingeniería civil. En la Parte 3 del mismo, referente al “Proyecto asistido por ensayos de campo”, se proporciona un método de evaluación de la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca. Se propone para ello, en el Anexo C.3, un método semiempírico de evaluación de evaluación de carga límite del pilote indirectamente, a partir de los resultados de ensayos presiométricos. Según sea la presión límite (PLM) obtenida con estos ensayos, se considera las siguientes categorías para tres tipos de sustrato rocoso (calizas, margas o rocas meteorizadas en general) definidos en la tabla mostrada a continuación: Tipo de roca

Calizas

Margas

Rocas meteorizadas Categoría

A B C A B A B PLM (MPa) < 0,7 1,0 – 2,5 > 3,0 1,5 – 4,0 > 4,5 2,5 – 4,0 > 4,5 Tipo de pilote: Hormigonado a baja presión Tipo de roca Calizas Margas Rocas meteorizadas Tabla 1.3

En función del tipo de pilote (hormigonado a baja presión), la resistencia unitaria por fuste se obtiene utilizando la curva del grafico de resistencia unitaria por fuste para pilotes cargados axialmente, correspondiente al tipo de roca y categoría que se hayan definido. La selección de dicha curva se realiza en la Tabla “Selección de curvas de proyecto por resistencia unitaria del fuste (tabla 1.3), conforme al criterio establecido. En la medida en que este procedimiento se basa en los resultados del ensayo presiométrico y no utiliza los valores que se obtienen respecto de la resistencia a compresión simple, no se va a utilizar para efectuar el estudio comparativo, dadas las dificultades que planta su equiparación.

1.1.2 Resistencia por punta de pilotes empotrados en roca

En algunas ocasiones los pilotes se hincan hasta un estrato subyacente de roca. En tales casos, el ingeniero debe evaluar la capacidad de carga de la roca. La resistencia unitaria última de punta en roca (Goodman, 1980) es:

exp. 1.39 Donde: qu: ø: resistencia a compresión no confinada de la roca ángulo de fricción drenado La resistencia a compresión no confinada de la roca se determina por medio de pruebas en el laboratorio sobre especímenes de roca obtenidos durante investigaciones de campo. Sin embargo, debe procederse con extremo cuidado al obtener el valor apropiado de qu porque los especímenes de laboratorio son usualmente pequeños en diámetro. Conforme el diámetro del espécimen crece, la resistencia a compresión no confinada decrece, lo que se denomina “efecto de escala”. Para especímenes mayores que 3 pies (1m) de diámetro, el valor qu permanece aproximadamente constante. Parece haber una reducción de cuatro o cinco veces la magnitud de qu en este proceso. El efecto de escala en rocas es principalmente causado por fracturas pequeñas y grandes distribuidas aleatoriamente y también por rupturas progresivas a lo largo de planos de deslizamiento. Por consiguiente siempre se recomienda que:

exp. 1.40

La tabla de resistencia típica a compresión no confinada de rocas, da valores (de laboratorio) representativos de resistencias a compresión no confinada de rocas. Valores representativos del ángulo, ø, de fricción de rocas se dan en la tabla de valores típicos del ángulo de fricción, ø, de rocas. Tipo de roca

Arenisca Caliza Lutita Granito Marmol lb/pulg2

10000 – 20000 15000 – 30000 5000 – 10000 20000 – 30000 8500 – 10000 qu MN/m2 70 – 140 105 – 210 35 – 70 140 – 210 60 – 70 Tabla de resistencia típica a compresión no confinada de rocas

Tipo de roca

Arenisca Caliza Lutita Granito Marmol Ángulo de fricción, ø (grados) 27 – 45 30 – 40 10 – 20 40 – 50 25 – 30 Tabla de valores típicos del ángulo de fricción, ø, en rocas

1.1.2.1 Norma Cubana

La Norma Cubana establece para la resistencia en punta de los tipos de pilotes: hincados, encamisados, rellenables y perforadores, los cuales se apoyan en suelos rocosos o poco compresibles (Eo > 100000 kPa) la fórmula: Q*V=R*·AP (kN) exp. 1.41 donde:

AP: área de apoyo del pilote (m2) que se asume para los casos de pilotes de sección transversal constante e igual al área neta de la sección transversal para pilotes encamisados, huecos, cuando estos no son rellenados con hormigón. Si hay relleno con hormigón será igual al área bruta de la sección transversal, siempre que bicho relleno alcance una altura mayor o igual a 3D (b).

R*: resistencia a compresión no confinada de los núcleos de roca (kPa), que se asume de la forma siguiente:

(*) Para pilotes encamisados, perforados o de huecos rellenados de hormigón apoyados en suelos rocosos se determina por la expresión siguiente: ·dR Ksq·R ? gR R*? (kPa) exp. 1.42 donde:

R : valor promedio de la resistencia límite a compresión axial del suelo rocoso en condiciones de humedad natural (en relación con el diámetro: altura de la muestra igual a dos, 2). ?gR: coeficiente de seguridad para los suelos igual a ?gR=1.6.

dr ? ?1? 0.4 ? ? 3.5 ? ? LE ? D ? exp. 1.43 LE: profundidad de embebimiento del pilote obturado en la roca. Se asume igual a la profundidad de empotramiento (m). D: diámetro exterior de empotramiento en el suelo rocoso. Valores de RQD

25< RQD = 50 50< RQD = 75 75< RQD = 90 90< RQD = 100 Espaciamiento de las discontinuidades (m) 0.06-0.2 0.2-1.6 1.6-2.0 >2.0 Ksq

0.1 0.3 0.75 1.0 Valores de Ksq.

RQD: índice de calidad de la roca, se define como el porcentaje de recuperación de pedazos de núcleos de rocas mayores de 10cm de longitud con respecto a la longitud del sondeo. RQD= Longitud de los pedazos de núcleo de 10cm / longitud del sondeo.

1.2 Pruebas de carga en pilotes

En la mayoría de los grandes proyectos, un número específico de pruebas de carga debe llevarse a cabo sobre pilotes. La razón principal es la falta de confiabilidad en los métodos de predicción. La capacidad de carga vertical y lateral de un pilote debe probarse en el campo.

El método más seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayoría de los lugares, es la prueba de carga [Juárez (1975), Sowers (1977), Paulos y Davis (1980), Jiménez (1986), Lambert (1991), Fellenius (2001), Vega Vélez (2005)]. Dentro de ella se han desarrollado la prueba de asiento controlado (controlando el incremento de asiento o a una velocidad de asiento constante) y la prueba con carga controlada (incremento de carga constante en el tiempo o asiento mínimo para un incremento de carga). Este último es el más usado, ya que permite determinar la carga última cuando se ha movilizado la resistencia del suelo que se encuentra bajo la punta y rodeando al pilote.

? Cuando Q = Q1 Pilote de anclaje referencia En esencia, estas pruebas, no son más que experimentar a escala real, un pilote, para procesar su comportamiento bajo la acción de cargas y determinar su capacidad de carga. Precisamente, su inconveniente fundamental estriba en su elevado costo y en el tiempo requerido para realizarla. Sowers (1977), recomienda que los resultados del ensayo son una buena indicación del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan después de un período de tiempo. Jiménez (1986) muestra preocupación ya que el pilote de prueba puede representar o no la calidad de los pilotes definitivos. Otra limitación planteada por este autor radica en que la prueba de carga se realiza generalmente a un solo pilote y se conoce que el comportamiento de un grupo es diferente al de la unidad aislada.

La figura 1, que se muestra a continuación muestra un diagrama esquemático del arreglo de un ensayo de carga en pilotes para probar la compresión axial en el campo. La carga se aplica al pilote por medio de un gato hidráulico. Cargas por etapas se al pilote y se permite que pase tiempo suficiente tiempo después de cada aplicación de manera que ocurra una pequeña una pequeña cantidad de asentamiento. El asentamiento de los pilotes se mide por medio de deformímetros. La cantidad de carga por aplicar en cada etapa variará, dependiendo de los reglamentos locales de construcción. La mayoría de los reglamentos requieren que cada etapa de carga sea aproximadamente igual a un cuarto de la carga de trabajo propuesta. La prueba debe efectuarse por lo menos a una carga total de dos veces la carga de trabajo propuesta. Después de alcanzarse la carga deseada en el pilote, éste es descargado gradualmente.

Viga

Gato hidráulico

Deformímetro

Viga de Pilote de prueba

Figura 1

de campo. Para cualquier carga, Q, el asentamiento neto del pilote se calcula como sigue:

Carga Q

Proceso de carga Q2

st(2)

se(2) Asentamiento neto, sneto(1) = st(1)– se(1) ? Cuando Q = Q2 Asentamiento neto, sneto(2) = st(2)– se(2)

Donde sneto: asentamiento neto se: asentamiento elástico del pilote mismo st: asentamiento total

Q1

st(1)

se(1) Proceso de descarga

Asentamiento Figura 2

Estos valores de Q se indican en una gráfica contra el asentamiento neto correspondiente sneto, como se muestra en la figura 3. La carga última del pilote se determina con esta gráfica. El asentamiento del pilote crece con la cara hasta cierto punto, más allá del cual la curva carga – asentamiento se vuelve vertical. La carga correspondiente al punto que la curva Q versus sneto se vuelve vertical es la cara última, Qu, del pilote. En muchos casos, la última etapa de la curva carga – asentamiento es casi lineal, mostrando un grado amplio de asentamiento para un pequeño incremento de carga. La carga última, Qu, para tal caso se determina del punto de la curva Q versus sneto donde empieza esta porción lineal empinada.

Qu Qu 1 2 Carga Q Asentamiento neto, snet Figura 3

El procedimiento de prueba de carga antes descrito requiere la aplicación de cargas por etapas sobre los pilotes así como la medición del asentamiento y se llama ensayo de carga controlada. La otra técnica usada para una prueba de carga en pilotes, tasa de penetración a velocidad constante, la carga sobre el pilotes es continuamente incrementada para mantener una velocidad constante de penetración, que varía de 0.01 a 0.1 pulg/min (0.25 a 2.5 mm/min). Esta prueba da una gráfica carga – asentamiento similar a la obtenida con la carga controlada. Otro tipo de prueba es la carga cíclica en la que una carga incremental es repetidamente aplicada y retirada. Las pruebas de carga sobre pilotes empotrados en arena se conducen inmediatamente después que se hincan los pilotes. Sin embargo, cuando están empotrados en arcilla, debe tenerse cuidado al decidir el lapso de tiempo entre el hincado y el principio de la prueba de carga.

A modo de conclusión podemos plantear que la prueba de carga es un método bastante seguro en la determinación de la carga última de los pilotes, siempre que se proporcione el mismo grado de calidad al pilote en prueba y al definitivo, pero es muy costoso y por esto se toman otras alternativas en la medición de la capacidad de carga.

1.3 Expresiones Dinámicos

Parta desarrollar la capacidad de carga deseada, un pilote de punta debe penetrar suficientemente el estrato denso de suelo o tener contacto suficiente con un estrato de roca. Este requisito no es siempre satisfecho hincando un pilote a una profundidad predeterminada debido a la variación de los perfiles de suelo, por lo que se han desarrollado varias ecuaciones para calcular la capacidad última de un pilote durante la

operación. Las ecuaciones dinámicas son ampliamente usadas en el campo para determinar si el pilote ha alcanzado un valor satisfactorio de carga a la profundidad predeterminada.

1.3.1 Fórmula del Engineering News Record (ENR)

Una de las primeras de esas ecuaciones dinámicas, comúnmente llamada la fórmula del Engineering News Record (ENR), se deriva de la teoría del trabajo y la energía. Es decir,

Energía impartida por el martillo por golpe = (Resistencia del pilote)(Penetración por golpe del partillo)

De acuerdo con la fórmula ENR, la resistencia del pilote es la carga última Qu, expresada como: exp. 1.44 Donde: WR: h: S: C: peso del martinete altura de la caída del martinete penetración del pilote por golpe de martillo constante La penetración, S, del pilote se basa usualmente en el valor promedio obtenido de los últimos golpes del martillo. En la forma original de la ecuación se recomendaron los siguientes valores de C. ?

? Para martillos de caída libre: C = 1 pulg. (si las unidades de S y h están en pulgadas) Para martillos de vapor: C = 0.1 pulg. (si las unidades de S y h están en pulgadas) Se recomendó también un factor de seguridad, FS, igual a 6, para estimar la capacidad admisible del pilote. Note que para martillos de acción simple y doble, el término WRh es reemplazado por EHE (donde E = eficiencia del martillo y HE = energía nominal del martillo). Entonces:

exp. 1.45

La fórmula ENR ha sido revisada a lo largo de los años y también se han sugerido otras formulas de hincado de pilotes. El esfuerzo máximo desarrollado en un pilote durante la operación de hincado se estima con las fórmulas presentadas en la tabla de fórmulas para el hincado de pilotes. Como ilustración usamos la formula ENR modificada:

exp. 1.46

En esta ecuación, S es igual a la penetración promedio por golpe de martillo, que también se expresa como:

exp. 1.47 Donde

S: está en pulgadas N = número de golpes de martillo por pulgada de penetración Fórmula Nombre

Fórmula ENR modificada Donde E: C: Wp: n: eficiencia del martillo 0.1 pulg, si las unidades de S y h están en pulgadas peso del pilote coeficiente de restitución entre el martinete y el capuchón del pilote Valores típicos para E ? ? ? Martillos de acción simple y doble 0.7 – 0.85 Martillos diesel 0.3 – 0.4 Martillos de caída libre 0.7 – 0.9 Valores típicos para n ? 0.4 – 0.5 Martillo de hierro colado y pilotes de concreto (sin capuchón) Cojinete de madera sobre pilotes 0.3 – 0.4 de acero Pilotes de madera 0.25 – 0.3 ?

? ? Fórmula de la Michigan State Highway Commission (1965) Donde

HE: energía nominal máxima según el fabricante del martillo (lb·pulg) E: eficiencia del martillo C: 0.1 pulg.

Se recomienda un factor de seguridad de 6.

Fórmula de Navy – McKay

Use un factor de seguridad de 6

Tabla de fórmulas de hinca

Entonces:

exp. 1.48

Diferentes valores de N se suponen para un martillo y pilote dados y luego pueden calcularse Qu. El esfuezo de hincado entonces se calcula para cada valor de N y Qu/Ap. 1.3.2 Design Manual DM 7.2, 1982 La Tabla 3.1 de US Navy (1982) recomienda el empleo de fórmulas de hinca según el martillo a ser utilizado. Estas fórmulas pueden utilizarse como una guía para estimar las capacidades admisibles de los pilotes y como control de construcción cuando están complementadas por ensayos de carga. Para martillos en caída libre Para martillos de acción simple Para martillos de doble acción diferencial Tabla 3.1: Fórmulas Básicas de Hincado de Pilotes (Design Manual DM 7.2, 1982)

Donde: a: b: c: (Qv)ad: W: H: E: S:

WD: usar cuando los pesos hincados son menores que los pesos del martillo. usar cuando los pesos hincados son mayores que los pesos del martillo. fórmula de hincado de pilotes basada en la fórmula de Engineering News. carga admisible del pilote en libras. peso del martillo en libras. altura efectiva de caída en pies. energía real liberada por el martillo por golpe en pie-libra. promedio neto de penetración en pulgadas por golpe para las últimas 6 pulgadas del hincado. pesos hincados incluyendo el pilote. Nota: la relación de pesos (WD / W) debe ser < 3.