Cimentaciones sobre pilotes en Roca. Pruebas de hinca (página 2)

1.1.1.1.2 Resistencia por fuste como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple

La resistencia aportada por el fuste de un pilote a lo largo de si empotramiento en roca puede ser también obtenida como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple: exp. 1.4 )

Rosenberg y Journaux (1976) proponen la siguiente expresión: exp. 1.5

Dicha fórmula solamente puede ser usada con rigor para pilotes de diámetros comprendidos entre 200 y 610 mm y empotrados en un tipo específico de roca: pizarra.

Posteriormente, Horvath et al (1983) deducen una nueva expresión, que para empotramientos realizados en argilitas ó rocas similares con diámetro de pilote entorno a los 710 mm adopta la forma: exp. 1.6 Si la pared del pilote presenta una cierta rugosidad, el correspondiente aumento en la resistencia por fuste del pilote empotrado en roca considera mediante la fórmula: exp. 1.7 En caso de que la superficie de contacto pilote-terreno sea muy rugosa, se puede considerar la siguiente expresión, para tener en cuenta el aumento de la resistencia por fuste: exp 1.8 Wyllie (1991) proporciona una resistencia última por fuste comprendida entre los siguientes valores: exp. 1.9 Para pilotes empotrados en rocas suficientemente blandas, con sc< 0.5 MPa, Fleming et al. (1992) proponen considerar una resistencia última por fuste de: exp1.10 Hooley y Lefroy (1993) establecen para rocas alteradas blandas como las pizarras, limonitas y argilitas, con 0.25< sc < 3.0 MPa, el siguiente límite inferior de resistencia: exp.1.11 Ambos autores indican además que el límite superior aceptable debe ser menor o igual a: Kulhawy y Phoon (1993) establecen el siguiente límite superior: exp. 1.12 Lo definen para superficies de contactos terreno-pilotes muy rugosas, incluso con rugosidad provocada artificialmente. Para las rocas consideradas por estos autores como blandas, con sc = 5MPa, se establece el mínimo valor para dicha resistencia última por fuste: exp. 1.13 Carubba (1997) también considera la variación de la resistencia última por fuste entre dos valores:

exp. 1.14

Zhang y Einstein (1998) aplican coeficientes mayores Para la determinación de dichos valores: exp. 1.15 Resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca como función de la raíz cuadrada de la 1/2 tult = a·sc Autores Fecha Coeficiente a Limitaciones Observaciones Rosenberg & Journaux 1976 0,375 En pilotes de diámetro entre 210 · 610 mm, empotrados en – Horvath et al. 1983 0,2 / 0,3 pizarras. En pilotes de 710 mm de diámetro (aprox). en argilitas o similares. Si la pared del pilote presenta cierta rugosidad, se considera Rowe & Armitage 1987 0,45 / 0,6 – un coeficiente de 0,3 Si la superficie de contacto pilote – terreno es muy rugosa, Wyllie 1991 0,4 ? 0,6 – se considera un coeficiente de 0,6 Establece un límite inferior y otro superior. Fleming et al. 1992 0,4 sc < 0,50 MPa Aplicable solo a rocas suficientemente blandas Hooley & Lefroy 1993 0,15 ? 0,4 0,25 < sc < 3,00 MPa en pizarras, lutitas y argilitas. Aplicable sobre rocas alteradas y blandas Kulhawy & Phoon 1993 0,22 ? 0,67 – El coeficiente superior, para superficies de contacto pilote – terreno muy rugosas. Carubba 1997 0,13 ? 0,25 – El inferior, para rocas blandas. Establece un límite inferior y otro Zhang & Einstein 1998 0,4 ? 0,8 – superior. Establece un límite inferior y otro superior. Cuadro resumen 2

1.1.1.1.3 Casos singulares

Dentro de las teorías existentes sobre resistencia última por fuste de pilotes empotrados en roca, se pueden añadir a las anteriormente descritas cuatro casos especiales o singulares. En el método de cálculo propuesto por Serrano y Olalla (2004; 2006), el exponente que opera con la resistencia a compresión simple varía entre los valores de 0.5 y 1, dependiendo del valor del tipo de roca, de la resistencia a compresión simple, del grado de fracturación y alteración del macizo rocoso y de las profundidades del trabajo del pilote.

1.1.1.1.3.1 Normativa DIN 4014 (1980)

La Normativa DIN 4014 (1980) establece la siguiente correspondencia entre valores de la resistencia a compresión simple de la roca de empotramiento y la resistencia última por fuste (?ult): sc (MPa)

0,5 5 20 ?ult (MPa) 0,08 0,5 0,5 Ajustando los valores proporcionados mediante una curva del tipo , para el tramo de 0.5 a 5 MPa la mejor aproximación se obtiene considerando los parámetros y a=0.14 y ß=0.8.

1.1.1.1.3.2 Williams y Pells (1981)

Williams y Pells (1981) consideran una ley no lineal para la definición de dicha resistencia a partir de dos parámetros adicionales, a y ß, que tienen en cuenta tanto la calidad de la roca (RQD) como la resistencia a compresión simple de la misma (sc). Establecen la siguiente relación no lineal entre la resistencia última unitaria por fuste de la parte del pilote empotrada en roca y la resistencia a compresión simple de la misma:

exp. 1.16

Los parámetros a y ß que intervienen en la expresión se estiman a partir de correlaciones empíricas establecidas por Williams, Johnston y Donald (1980).

Aunque estos autores realizan sus estudios para un tipo de roca específica como es la lutita de Melbourne, los gráficos que proporcionan para la determinación de ambos coeficientes también pueden ser aplicados a otras masas rocosas blandas con las siguientes características: 0.6 MPa = sc = 12.5 MPa Según una curva ajustada a los resultados obtenidos empíricamente por Williams, Johnston y Donald (1980), nos permite estimar el denominado factor adhesión “a” a partir de la resistencia a compresión simple de la roca sana,

El Factor de reducción de la resistencia por fuste, ß, es función del factor de la masa rocosa “j” tal y como su puede observar en Gannon et al. (1999) siendo j el “Factor de Masa” obtenido como cociente del módulo de deformabilidad de de la masa rocosa (Em) y el módulo de la roca intacta (E). Calidad de la roca

Muy mala Mala Regular Buena Excelente RQD

0 – 25 25 – 50 50 – 70 75 – 90 90 – 100 Frecuencia de fractura (*) (por metro) > 15 15 – 8 8 – 5 5 – 1 1 Factor de masa j

0,2 0,2 0,2 – 0,5 0,5 – 0,8 0,8 – 1,0 (*) La frecuencia de fractura viene dada por el número de discontinuidades por metro de longitud del testigo de sondeo de la masa rocosa. Tabla 1.1

El factor “j” puede ser estimado a partir de la calidad en la roca. En la tabla de Gannon et al (1999), se relaciona dicho factor con el RGD de la masa rocosa (tabla 1.1). El módulo de deformabilidad de la masa rocosa (Em) debe estar comprendido entre los siguientes valores: 100 MPa = Em = 1000Mpa

1.1.1.1.3.3 Método de Jiménez Salas et al. (1981)

Para poder estimar según este método la resistencia última por fuste, ?ult, de un pilote empotrado en roca, se ha de calcular previamente la resistencia unitaria por la base del pilote.

La resistencia por la base o punta del pilote viene definida por la expresión:

exp. 1.17

Siendo a´ un coeficiente menor o igual que uno y que tiene en cuenta la longitud del pilote empotrado en roca (De), el diámetro de la perforación (B) y la naturaleza del sustrato rocoso de empotramiento (ß´): exp. 1.18

Los valores propuestos para el parámetro adimensional ß´ varían de 0.3 en el caso de rocas metamórficas como las pizarras, filitas y esquistos hasta los 0.8 alcanzados por rocas sedimentarias como las calizas y areniscas compactas. Para rocas ígneas como el granito, la diabasa o la granodiorita, se recomienda un valor intermedio de ß´=0.6. Empotramiento

1 3 5 12 Rocas metamórficas ß´= 0,3

0.10 0.15 0.23 0.38 Rocas ígneas ß´= 0,6

0.20 0.30 0.45 0.50 Rocas sedimentarias ß´= 0,8 0.27 0.40 0.50 0.50 NOTA: a´ no puede ser mayor que uno Tabla 1.2

Una vez obtenida la resistencia por la base del pilote, la resistencia por fuste de la parte empotrada en roca se considera igual a la mitad de dicho valor:

exp. 1.19

La resistencia última por fuste adopta por tanto la expresión:

exp. 1.20

Esta expresión resulta linealmente dependiente del empotramiento (De / B) del pilote, de tal manera que, en función del tipo de roca, la resistencia a compresión simple de la misma (sc) por el valor que corresponda de la tabla 1.2.

1.1.1.1.3.4 Método de Serrano y Olalla (2004; 2006)

Partiendo del criterio de resistencia de Hoek y Brown (1980) para el estado tensional en rotura de la roca, serrano y Olalla (1994) expresan de forma paramétrica dicho criterio dicho criterio de rotura, en función del ángulo de rozamiento instantáneo ? y de los parámetros ß (Modulo de Resistencia) y ? (Coeficiente de Tenacidad) siendo:

exp. 1.21 exp. 1.22 Donde m, s y GSI, (análogo, a grandes rasgos, en su valor al RMR básico), son los conocidos parámetros definidos por Hoek y Brown. Se supone que sólo hay resistencia por fuste en la superficie del pilote empotrada en roca, considerando por tanto la no contribución de la resistencia por fuste de los suelos que pudieran encontrase por encima de la roca. La posible contribución de la punta del pilote tampoco se tiene en cuenta. El método considera que la resistencia del contacto roca pilote es equivalente a la de la roca. Ello implica la no existencia de alteración, ni modificación o perturbación en la superficie de la roca en contacto con el fuste del pilote, además de una resistencia del material del pilote (generalmente hormigón o acero) superior a la de la roca. Las tensiones horizontales (sh) que actúan sobre el fuste se calculan según la expresión: exp. 1.23 Donde K0 es un coeficiente de proporcionalidad y sv cuantifica las tensiones verticales que se desarrollan a lo largo del fuste. Ha de existir una longitud mínima de pilote atravesando la roca a fin de garantizar la movilización de las tensiones de corte propuestas por el método. Para rocas duras, dicha longitud de empotramiento debe ser superior a 0.5 m, mientras que para rocas blandas ha de ser mayor de 2.5 m (DIN 4014). 1.1.1.2 Normativa Española Fundamentalmente son cuatro los Códigos Normativos que existen en España y que definen como valorar la resistencia por fuste de un pilote perforado en roca. ROM 0.5-94: Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas (1994). GCOC: Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras (2004). ROM 0.5-05: Recomendaciones Geotécnicas para obras Marítimas (2005). CTE: Código Técnico de la Edificación (2006). Tanto el nuevo Código Técnico de la Edificación (CTE) como la guía de Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas en su versión anterior (ROM 0.5- 94) considerar la resistencia por fuste como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple (sc). La Guía de cimentaciones en Obras de Carreteras (GCOC) y la guía ROM en su última versión (ROM 0.5-05) incorporan nuevos parámetros para la descripción del macizo rocoso de empotramiento, aunque los hacen también función lineal de la resistencia a compresión simple.

1.1.1.2.1 ROM 0.5-94: Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas (1994)

La ROM 0.5-94 recomienda utilizar la siguiente fórmula para el cálculo de la resistencia por fuste como función de la raíz cuadrada de la resistencia a compresión simple.

exp. 1.24 Estando expresada tanto la resistencia última por fuste (?ult) como la resistencia a compresión simple (sc) en MPa. En el caso de que la resistencia por fuste así obtenida sea superior a 0.5 MPa, se ha de adoptar dicho valor (0.5 MPa) como resistencia última por fuste del pilote empotrado en roca.

1.1.1.2.2 GCOC: Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (2004)

Según esta normativa, para que el estrato de empotramiento del pilote pueda ser considerado realmente como roca, han de concurrir las siguientes condiciones:

sc (resistencia a compresión simple de la roca sana) = 1 MPa RQD = 10 Grado de meteorización de la roca (según la escala ISRM) = 3

Si no se produjera alguna de las tres condiciones, el sustrato pasaría a ser tratado como un suelo, aplicando el procedimiento descrito para estos casos por la propia Guía para el cálculo de la resistencia unitaria por fuste. Cuando la zona de empotramiento del pilote pueda ser considerada como roca, la resistencia por fuste se calcula según la expresión:

exp. 1.25

Siendo qq es la resistencia unitaria por punta que corresponde a la roca, obtenida a partir de: exp. 1.26 siendo:

exp. 1.27

pvadm: presión admisible, en MPa, para la cimentación superficie roca. sc: resistencia a compresión simple de la roca sana en MPa. pp: presión de referencia. Se toma un valor de 1 MPa. a1: parámetro que es función del tipo de roca. Se valor puede calcularse a partir de la resistencia a tracción simple de la roca o tracción indirecta, aunque su forma más habitual de estimación sea a partir de una tabla proporcionada por la

a2:

a3: propia Guía, donde adopta los valores de 0.4; 0.6; 0.8 ó 1 en función del tipo de roca. coeficiente en función del grado de meteorización de la roca. Se estima partir de la Tabla 3.3 de la Guía, adoptando los valores de 0.5; 0.7 ó 1 cuando el grado de meteorización sea de III; II ó I respectivamente. coeficiente que es función del espaciamiento existente entre litoclasas dentro del macizo rocoso. La Guía proporciona la siguiente fórmula para su estimación:

exp. 1.28

En el caso de que el sustrato tenga que considerarse como un suelo por el incumplimiento de alguna de las tres condiciones anteriormente indicadas, la presión vertical admisible (pvadm) se calcula según el criterio establecido por la Guía para cimentaciones superficiales en suelos. Se usa entonces la expresión polinómica clásica conocida coloquialmente por el nombre de uno de sus autores, Brinch-Hansen. Esta fórmula se basa en la teoría de la plasticidad y viene afectada por diversos factores de corrección empíricos que tienen en cuenta tanto la geometría de la cimentación como las características geotécnicas del terreno.

1.1.1.2.3 ROM 0.5-05: Recomendaciones geotécnicas para Obras Marítimas (2005)

Para poder considerar el estrato de empotramiento como roca, esta normativa utiliza las dos primeras condiciones establecidas anteriormente por la GCOC (2004), referentes a una resistencia a compresión simple (sc) mayor o igual que 1 MPa y un valor de RQD mayor o igual que 10 La tercera condición (que en el caso de la GCOC consistía en la definición del grado de alteración máximo admisible por el estrato de empotramiento para que éste pudiera seguir siendo considerado como roca) viene definida en la ROM 0.5-05 (2005) como una separación o espaciamiento mínimo entre litoclasas por debajo del cual la fracturación del terreno impide que pueda ser tratado como roca:

s (espaciamiento entre litoclasas) = 0.1 m

Si no se produjera alguna de las tres condiciones, el sustrato pasaría a ser considerado entonces como un suelo, pudiendo aplicarse la fórmula analítica para el cálculo de ?ult en suelos cohesivos a largo plazo proporcionada por la ROM 0.5-05. Si se cumplen las tres condiciones de forma simultánea, se aplica el procedimiento descrito por la ROM 0.5-05 en su Capítulo III, “Criterios Geotécnicos”, Apartado 3.6.4.6 “Cimentaciones con pilotes en roca”. Según dicho apartado, la resistencia por fuste de pilotes en roca ha de ser contabilizada solamente en zonas donde el grado de alteración sea inferior o igual a III, en cuyo caso se considera la siguiente expresión para el cálculo de la resistencia unitaria por fuste (?ult):

exp. 1.29 pvh es la presión vertical de hundimiento que corresponde a la roca del fuste. Su valor se obtiene de la siguiente fórmula, debiendo ser inferior a 15 MPa: exp. 1.30 siendo: pr: presión de referencia. Se considera igual a 1 MPa. sc: resistencia a compresión simple de la roca sana expresada en MPa. fD: factor de reducción debido al diaclasamiento de la roca. Se toma el valor mínimo obtenido de las dos expresiones siguientes: exp. 1.31 exp. 1.32 donde: s: espaciamiento entre litoclasas. Se recuerda que cuando s < 0.10 m, este método no es aplicable. B*: ancho equivalente de la cimentación. Para el caso de cálculo de la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca, se ha de considerar igual al diámetro. B0: ancho de referencia. Se considera un valor igual a 1 m. RQD: índice de fragmentación de la roca. Cuando sea inferior al 10%, el procedimiento de cálculo aquí descrito deja de ser válido. fA: factor de reducción debido al grado de alteración de la roca. Adopta los valores de 1; 0.7 ó 0.5 según que el grado de meteorización de la roca sea I; II; III respectivamente. fd: factor que tiene en cuenta la inclinación de la carga. Para el caso concreto del cálculo de la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca adopta un valor igual a 1. 1.1.1.2.4 CTE: Código Técnico de la Edificación (2006) En el Apartado F.2.4, Punto 4, del Anexo F del Documento “Seguridad Estructural. Cimientos” del CTE, Parte I, se establece que dentro de zona de roca, para la evaluación de la resistencia por el fuste de pilotes perforados, debe considerarse un valor de cálculo de la resistencia unitaria igual a: exp. 1.33 Donde el valor de la resistencia a compresión simple de la roca intacta (sc) viene especificado en MPa. Se debe verificar siempre que la roca sea estable en agua.