CIMENTACIONES PROFUNDAS EN PUENTES
INTRODUCCION Las cimentaciones profundas para puentes se usan cuando no es posible efectuar una cimentación directa a una profundidad razonable, debido a que:
!l suelo suelo en en un espes espesor or consid considera erable ble es es poco poco resist resistent ente e o compre compresib sible" le" !s nece necesa sari rio o e#te e#tend nder er la cime ciment ntac ació ión n deba deba$o $o de una una prof profun undi dida dad d de soca%ación importante" Las dime dimensi nsione oness que se reque requerir rir&an &an para para una cime cimenta ntació ción n directa directa resul resultan tan e#cesi%as" !#isten b'sicamente dos tipos de cimentaciones profundas para puentes: caissones ( pilotes" 2.0 EXPLORACION EXPLORACION DEL SUELO
!s suma sumame ment nte e impo import rtan ante te que que el pro( pro(ec ecto to inc inclu( lu(a un pro) pro)ra rama ma de e#pl e#plor orac acio ione ness ( ensa ensa((os adec adecua uado dos, s, (a que que sobr sobre e la base base de esta esta información se tomar'n importantes decisiones de dise*o, que el caso de cimentaciones profundas tienen implicancias económicas considerables" La especificación del ++-TO para puentes .Ref" /0 requiere que como m&ni m&nimo mo los los pro) pro)ra rama mass de e#pl e#plor orac ació ión n ( ensa ensa((os defin definan an,, cuan cuando do sea sea aplicable, lo si)uiente:
Con relación a !stratos de uelo: - 1rofundidad, espesor ( %ariabilidad" - Identificación ( clasificación" - 1rop 1ropie ieda dade dess in)e in)eni nier erile iless rele rele%a %ant ntes es . p"e" p"e",, resi resist sten enci cia a al corte corte,, compre compresib sibili ilidad dad,, ri)idez ri)idez,, permea permeabil bilida idad, d, potenc potencial ial de e#pan e#pansió sión n o colapso, susceptibilidad de licuefacción ( de con)elamiento0" Con relación a !stratos de Roca: - 1rofundidad a la roca" - Identificación ( clasificación - Calidad .p"e", inte)ridad, dureza, fracturación ( presencia de relleno en )riet rieta as, res resiste isten ncia al inte intemp mpe eris rismo, mo, si est' e#pues puesta ta ( solubilidad0"
Cota de la Napa 2re'tica
Cota de la uperficie del Terreno"
Condiciones locales que requieren especial atención"
+simismo, la especificación del ++-TO ++-TO para puentes requiere que para el caso de cimentaciones profundas la e#ploración del suelo .sonda$es0 se e#tienda deba$o del ni%el anticipado de la punta de los pilotes, como m&nimo el ma(or %alor de:
- 3 metros - 4 %eces la m'#ima dimensión del )rupo de pilotes, a menos que la
cimentación sea por punta o descanse en roca"
1ara pilotes apo(ados en roca deber' obtenerse como m&nimo 5 m de testi)os de roca en cada punto de e#ploración para ase)urar que el sonda$e no 6a terminado en un bolón" 3.0 CAISSONES 3.1 Métodos Construct!os
!l uso de caissones constitu(e un procedimiento constructi%o que permite efectuar una e#ca%ación ba$o el ni%el fre'tico 6asta una profundidad de cimentación considerable" Los caissones son ca$ones de concreto armado en los que se efect7a una e#ca%ación en su interior, de tal manera que el ca$ón se %a 6undiendo en el terreno ba$o el efecto de su propio peso a medida que el suelo en su base es e#ca%ado" !l caisson es construido por etapas: primero se constru(e sobre el terreno una sección de 4 o 5 metros de altura ( una %ez que esta 6a sido 6undida se le constru(e encima nue%as secciones" La e#ca%ación puede 6acerse a mano si el a)ua de su interior es bombeada .2i)ura 8 /, a0 o se puede e#ca%ar ba$o a)ua con una dra)a .2i)ura 8/, b ( c0" !n suelos de ba$a permeabilidad .arcillas0 los caissones pueden ser instalados a cielo abierto" !n suelos de alta permeabilidad .arenas0 el bombeo del a)ua arrastrar' part&culas finas de suelo produciendo una reducción de su resistencia que puede ser mu( importante9 este efecto es ma(or a ma(or profundidad, por lo que dependiendo de las caracter&sticas de la arena, la e#ca%ación a cielo abierto se limita a a ; m de profundidad9 para ma(ores profundidades ser' necesario usar el m
3.2 D"#nson$"#nto d# C$sson#s
La profundidad ( dimensiones e#teriores del caisson se definen sobre la base de las car)as de la estructura ( la información del !studio de uelos, el cual deber' recomendar un ni%el de cimentación ( una capacidad portante del terreno a esa profundidad" !l 6undimiento del caisson es resistido por la fricción lateral e#istente entre su superficie e#terior ( el suelo circundante, por lo que para %encer dic6a fricción el peso del caisson debe ser, en toda etapa de la construcción, ma(or que la ficción lateral" !s decir el caisson debe dise*arse con dimensiones internas que 6a)an que su peso sea ma(or que la fricción lateral" La e#periencia demuestra que para un suelo dado la fricción lateral alcanza un %alor constante por unidad de 'rea a partir de apro#imadamente ; metros de profundidad" !n la si)uiente tabla se presenta %alores t&picos de fricción lateral" Tipo de uelo
2ricción Lateral Unitaria .=1a0
Limo ( +rcilla >landa +rcilla mu( Dura +rena uelta +rena Densa ?ra%a Densa
; 5@ @ /@@ /5 5 5 A@ @ /@@
Ref": Terza)6i ./BB30 Dependiendo de sus dimensiones el caisson podr' dise*arse con una sola celda o compartimiento o con %arias celdas o compartimientos" %.0 PILOTES
Un pilote es un elemento estructural que trasmite car)as de una superestructura, a tra%
%.1 T&os d# P'ot#s
Los pilotes pueden clasificarse de acuerdo a di%ersos criterios" !n la 2i)ura 8 4 se presenta la clarificación dada por el N+2+C .Ref" 0" Los pilotes com7nmente usados en 1er7 son:
1ilotes de Eadera
1ilotes de Concreto +rmado - 1refabricados - 1retensados - -incados, %aciados insitu ( con base ensanc6ada, tipo 2ranFi .pressure in$ected footin)s0 - !#ca%ados de )ran di'metro" 1ilotes Eet'licos - Tubos de +cero - 1erfiles de +cero"
%.2 Ds#(o )#otécnco d# P'ot#s
Los pilotes traba$an normalmente en )rupos, pero el c'lculo de capacidad de car)a se 6ace primero para un pilote aislado ( lue)o se analiza el efecto de )rupo el cual puede e#istir o no" %.2.1 C$&$cd$d d# C$r*$ U't"$ d# un P'ot# As'$do + R#,. Pr$-$s /10
La car)a aplicada a un pilote es resistida por la reacción del suelo en la punta del pilote ( la reacción de la fricción a lo lar)o de su fuste, %er la 2i)ura 85" i la car)a aplicada es tal que produce la falla del pilote, esta se denomina car)a 7ltima .Gult0, la cual ser' i)ual a la suma de la capacidad de car)a por punta .Gp0 ( la capacidad de car)a por fricción .Gf 0, es decir: GultH Gp Gf
./0
!l t Nγ γ Df Nq 0
.40
donde: +p H cH γ H Nc, Nγ , Nq H
Krea de la punta del pilote" Co6esión del suelo sub(acente 1eso unitario del suelo 1ar'metros adimensionales de capacidad de car)a, que dependen del 'n)ulo de fricción interna del suelo > H +nc6o o di'metro del pilote Df H 1rofundidad de la punta del pilote deba$o de la superficie del terreno
De i)ual forma el t
Gf H p Σ f s ∆L
.50
LH@
f s H ca σ6 tan δ donde:
.M0
p H 1er&metro de la sección del pilote f s H 2ricción lateral unitaria a lo lar)o de la lon)itud L L H Lon)itud del pilote sobre la cual se asume que la fricción es mo%ilizada ca H ad6esión unitaria σ6 H 1resión efecti%a 6orizontal a lo lar)o del pilote δ H +n)ulo de fricción entre el suelo ( el pilote %.2.1.1 C$&$cd$d d# C$r*$ U't"$ d# un P'ot# As'$do #n Su#'o )r$nu'$r
!l proceso de instalación de pilotes altera el suelo" !n el caso de pilotes de desplazamiento . 6incados0 el 6incado producir' una compactación ( densificación del suelo circundante9 en el caso de pilotes e#ca%ados se producir' una descompresión que reducir' la densidad del suelo circundante" !l c'lculo de capacidad de car)a deber&a 6acerse con las propiedades del suelo disturbado lue)o de la instalación de los pilotes" in embar)o es dif&cil predecir el cambio de las propiedades mec'nicas del suelo debido a la alteración producida, por esta razón el c'lculo de capacidad de car)a del pilote se 6ace con las propiedades mec'nicas iniciales del suelo ( el efecto de la alteración se refle$a en el par'metro no dimensional N q ( la fricción lateral unitaria f s" !n suelos )ranulares c H @ ( el t Nγ 0 de la ecuación ./0 es peque*o comparado con . γ Df Nq0, por lo tanto para suelos )ranulares la ecuación .40 se reduce a: Gp H +p γ Df Nq
.a0
Gp H +p σ% Nq
.b0
lo que es equi%alente a: donde % es la presión efecti%a %ertical de confinamiento al ni%el de la punta del pilote" De i)ual forma, en suelos )ranulares c a H @, por lo que la ecuación .M0 se reduce a: f s H σ6 tan P
.3a0
La presión efecti%a 6orizontal . σ60 puede ser e#presada en función de la presión efecti%a %ertical . σ%0 mediante la e#presión σ6 H =s σ% , donde = s es el coeficiente lateral de tierra" De esta manera la ecuación .3a0 se ree#presa as&: f s H =s σ%l tan δ .3b0 con lo cual la ecuación .50 resulta: LHL
Gf H p =s tan δ Σ σ%l QL LH@
.A0
1or lo tanto la e#presión final para la capacidad de car)a 7ltima de suelos )ranulares es: LL
u't & 4 , A&
5! N6 4 & 7s t$n
5!'
L
/8
L0
donde: +p H Krea de la punta del pilote" σ% H 1resión efecti%a de confinamiento en la punta del pilote .%.m'#"0 H %alor a la profundidad 4@ >0 σ%l H !sfuerzo %ertical efecti%o al ni%el sonde se calcula la fricción" p H 1er&metro de la sección del pilote =s H Coeficiente de presión de tierra, a determinarse de la Tabla 8 4 Nq H 2actor de capacidad de car)a, a determinarse de la Tabla 8 / dependen del 'n)ulo de fricción interna del suelo δ H 45 φ .donde φ es el 'n)ulo de fricción interna del suelo0 L H Lon)itud efecti%a del pilote !#perimentos a )ran escala ( obser%aciones de campo muestran que tanto la resistencia por punta como la resistencia por fricción se incrementan 6asta cierta profundidad cr&tica D c, m's all' de la cual se mantienen constantes" 1ara efectos pr'cticos se toma D c i)ual a 4@ %eces el anc6o o di'metro del pilote .>0, por esta razón se limita el %alor de σ% al %alor que alcanza al ni%el 4@ >" %.2.1.2 C$&$cd$d d# C$r*$ U't"$ d# un P'ot# As'$do #n Su#'o Co#s!o
!n suelos co6esi%os el 'n)ulo de fricción interna φH @ , la co6esión c H c u , donde cu es la resistencia al corte no drenada de la arcilla ( los factores de capacidad de car)a N γ H @ ( NqH /, con lo cual la ecuación .40 se reduce a: Gp H +p . cu Nc γ Df Nq 0
.B0
-aciendo un a$uste por el peso del pilote la ecuación .B0 puede apro#imarse a: Gp H +p . cu Nc γ Df Nq 0 γ Df +p ./@0 considerando que N q H / para φH @, la ecuación ./@0 se transforma en: Gp H +p cu Nc
./@0
De i)ual forma en suelos co6esi%os la fricción en el fuste .f s0 puede escribirse como f s H ca, con lo cual la ecuación .50 se reduce a: LHLe
Gf H p Σ ca ∆L LH@
.//0
1or lo tanto la e#presión final para la capacidad de car)a 7ltima en suelos co6esi%os es : LL#
u't & 4 , A& cu Nc 4 &
c$ L
/12
L0
donde: +p H Krea de la punta del pilote cu H Resistencia al corte no drenada al ni%el de la punta del pilote .cu H qu 4, donde q u es la resistencia a la compresión no confinada0 Nc H 2actor de capacidad de car)a9 N c H B para pilotes 6incados con relación >L M9 para pilotes e#ca%ados N c se determina de la Tabla 8 5" p H 1er&metro de la sección del pilote Le H Lon)itud efecti%a del pilote ca H +d6esión pilotesuelo a obtenerse de la 2i)ura 8 M, en la cual se considera u H cu La lon)itud efecti%a del pilote .L e0 es la que contribu(e a la capacidad de car)a por fricción ( puede ser diferente de la lon)itud del pilote .L0, debido a que la parte superior del pilote puede no estar en contacto estrec6o con el suelo debido a factores tales como alteraciones producidas por el 6ombre ( ablandamiento ( fractura del suelo debido a %ariaciones estacionales" !sta lon)itud debe e%aluarse en cada caso espec&fico" 1ara estimar L e puede usarse la Tabla 8 M, donde la profundidad de %ariación estacional, en la ma(or&a de los casos est' entre /" ( 5"@ m" %.2.2 C$r*$ Ad"s9'# d# P'ot#s
La car)a admisible .G adm0 de un pilote se obtiene aplicando un factor de se)uridad a la capacidad de car)a 7ltima del pilote" Cuando Gult es determinada mediante la aplicación de fórmulas est'ticas basadas en par'metros de suelo pro%enientes de una e#ploración )eot
%.2.3 C$&$cd$d d# C$r*$ U't"$ d# un )ru&o d# P'ot#s %.2.3.1 Su#'os )r$nu'$r#s
La capacidad de car)a 7ltima de un )rupo de pilotes en un suelo )ranular .Gult0? se considera i)ual a la suma de las capacidades de car)a de los pilotes indi%iduales, es decir: .Gult0? H n Gult donde . n 0 es el n7mero de pilotes" %.2.3.2 Su#'os Co#s!os
!n suelos co6esi%os )eneralmente .G ult0? K n Gult" 1ara efectos pr'cticos .Gult0? se puede estimar como el menor de los si)uientes %alores: +cción indi%idual: .Gult0? H n Gult +cción de )rupo: Considera la falla de )rupo de pilotes como un bloque, %er 2i)ura 8 " .Gult0? H cu Nc +1? ca p? Le, donde +1? es el 'rea de la base del bloque ( p ? es su per&metro" %.2.% As#nt$"#nto d# P'ot#s
La predicción de asentamientos de cimentaciones con pilotes es complicada debido a las alteraciones ( cambios en el estado de tensión del suelo como consecuencia de la instalación de los pilotes ( a las incertidumbres acerca de la distribución ( posición e#acta de la transferencia de car)as del pilote al suelo" !#isten m
Las fórmulas de 6inca correlacionan la ener)&a aplicada para la 6inca de los pilotes con la resistencia 7ltima del suelo"
!stas fórmulas son confiables 7nicamente si se sustentan en e#periencia local o pruebas de car)a9 en caso contrario deben usarse sólo como 6erramientas de confirmación del dise*o 6ec6o sobre la base de información pro%eniente de una adecuada e#ploración )eot
Las car)as 6orizontales ( momentos aplicados en la cabeza de un pilote son equilibrados por la reacción del suelo mo%ilizada por la deformación lateral del pilote, %er 2i)ura 8 A" >a$o la acción de una car)a 6orizontal el pilote se fle#iona ( deforma lateralmente" La ma)nitud de la reacción del suelo depender' de su módulo de reacción de subrasante lateral .= 60, es decir: p H =6 ( donde : p H Reacción del suelo =6 H Eódulo de reacción de subrasante lateral del suelo ( H Desplazamiento lateral del pilote !sta e#presión nos muestra que para la misma deformación .(0, un suelo con =6 alto mo%iliza una reacción .p0 alta ( un suelo con =6 ba$o mo%iliza una reacción .p0 ba$a" !s decir para la misma car)a lateral, un pilote en un suelo r&)ido .= 6 alto0 se deformar' menos ( 6asta una menor profundidad que en un suelo blando .= 6 ba$o0" !sto implica que para la misma car)a lateral, se producir'n en el pilote momentos de fle#ión menores en un suelo r&)ido que en un suelo blando" !#isten di%ersos mlandas o +renas ueltas Otros suelos %.2.> C$r*$ d# Tr$cc;n #n P'ot#s
: 4" m : 4"@ m
La car)a 7ltima de tracción de pilotes puede ser estimada de una manera similar a la capacidad de car)a 7ltima a compresión, i)norando la capacidad de car)a por punta G p, %er 2i)ura 8 ;" !sto se e#presa as&: Tu H Gf p donde : Tu H Capacidad de car)a 7ltima a tracción Gf H Capacidad de car)a 7ltima por fricción p H 1eso del pilote !n pilotes con base ensanc6ada S 2i)ura 8 B S la capacidad de car)a 7ltima en suelo )ranular se puede estimar como el peso del suelo ubicado dentro de un tronco de cono in%ertido cu(a base es la base del pilote ( su )eneratriz forma un 'n)ulo de 5@ con la %ertical" 1ara determinar la car)a admisible a tracción se aplica un factor de se)uridad de 5, es decir: Tadm H Tu 5 %.3 Ds#(o Estructur$' d# P'ot#s
Los pilotes se deben dise*ar estructuralmente para resistir las car)as a las que ser'n sometidos durante su instalación ( %ida 7til" !n el caso de pilotes de concreto el +CI S M5 da recomendaciones para el dise*o estructural de los pilotes" !n el caso de pilotes prefabricados la condición de car)a cr&tica se presenta durante el iza$e ( el 6incado de los pilotes" !n caso de pilote %aciados in situ el dise*o se 6ace para resistir los esfuerzos producidos por las car)as que la estructura le aplicar' durante su %ida 7til" !stos esfuerzos son los esfuerzos de compresión debido a la car)a %ertical ( los esfuerzos de fle#ión producidos por el momento inducido por la fuerza lateral, el cual puede calcularse se)7n lo indicado en el &tem M"4"3" i no e#isten fuerzas laterales ni momentos aplicados en la cabeza del pilote, teóricamente el pilote podr&a no lle%ar armadura, sin embar)o es recomendable considerar una armadura m&nima con una cuant&a de @"V" %.% Dstr9uc;n d# P'ot#s 9$?o P'$r#s @ Estr9os
Una %ez seleccionado el tipo ( caracter&sticas del pilote ( determinada su capacidad de car)a admisible, se dise*a la distribución de pilotes ba$o la zapata" Las car)as .%erticales, 6orizontales ( momentos0 que la superestructura transmite a la zapata deben a su %ez ser transmitidos a los pilotes"
La distribución de pilotes ba$o un pilar o estribo se 6ace mediante un procedimiento iterati%o" e supone un n7mero ( una distribución de pilotes ba$o la zapata ( se calculan las car)as transmitidas a cada pilote, lue)o se %erifica que nin)7n pilote se supere su capacidad de car)a admisible" i es necesario se aumenta o disminu(e la cantidad de pilotes 6asta conse)uir un dise*o óptimo" 1ara calcular las car)as transmitidas a cada pilote se pueden emplear m ( 1C en cada pilote por medio de la si)uiente ecuación: Σ
ΣEc # di
i H ΣdiW n donde: i Σ ΣEC Di n
H Car)a ertical en los pilotes de la fila XiX H umatoria de car)as %erticales al Ni%el de fondo de Yapata" H umatoria de Eomentos respecto del centroide de los pilotes" H Distancia de los pilotes de la fila XiX al e$e del centroide" H N7mero total de 1ilotes
5" Comp'rense las fuerzas %erticales en los pilotes inclinados con su car)a a#ial de se)uridad" La fuerza %ertical m'#ima en un pilote inclinado debe limitarse a un %alor de ; por ciento menor que el de la car)a a#ial de se)uridad, para tomar en cuenta la influencia de la inclinación" M" Constr7(ase el pol&)ono de fuerzas .2i)ura 8 /@0" De acuerdo con este dia)rama, si los pilotes de la fila + %an a resistir toda la fuerza 6orizontal Z-, deben tener la inclinación de la l&nea 2?" 1or tanto la inclinación requerida es: ∑ H m = 100 ∑ V ' .a0
donde: m H inclinación de los pilotes e#presada en cm .6orizontales0 por metro .%ertical0 Σ- H 2 [ uerza 6orizontal que %an a resistir los pilotes inclinados Σ H uma de fuerzas %erticales que obran en los pilotes inclinados" 1ara la condición mostrada en .2i)ura 8 /@0, Σ H 4 + " Re%&sese si la inclinación necesaria es razonable" i no, se requiere 6acer una nue%a distribución o los pilotes inclinados deber'n usarse en m's de una fila como se e#plica en lo que si)ue" 3" Calc7lese la fuerza a#ial en los pilotes inclinados, ( comp'rese con la car)a de se)uridad acial por pilote" i se e#cede la car)a de se)uridad, 6a( que 6acer una nue%a distribución" i la fuerza 6orizontal Σ- es )rande, puede ser necesario inclinar m's de una fila de pilotes" i se usan pilotes inclinados en la fila >, adem's de en la fila +, ( si se desea la misma inclinación en ambas filas, una l&nea que una ! ( ? .2i)ura 8 /@0 da la inclinación adecuada" 1or tanto, la ecuación .a0 si)ue siendo aplicable, siempre que la suma %ertical Σ se a$uste para incluir a 1 > !n al)unos pro(ectos la inclinación difiere de fila a fila" !n muc6os casos, su propio criterio o los resultados de pruebas en el lu)ar pueden decidir al pro(ectista a considerar que sólo una parte dice la fuerza 6orizontal total necesita ser resistida por los pilotes inclinados" !n cualquier caso, un dia)rama de fuerzas seme$ante al mostrado en la .2i)ura 8 /@0 es 7til para determinar las inclinaciones correctas para las diferentes filas" !l %alor de .m0 obtenido por medio de la ecuación .a0 se apro#ima com7nmente al cent&metro" No se $ustifica m's refinamiento, en %ista de las muc6as suposiciones ( de las incertidumbres de campo que afectan a los problemas de este tipo" %.: Pru#9$s d# C$r*$s #n P'ot#s
Las pruebas de car)a consisten en aplicar car)as %erticales a un pilote ( re)istrar los asentamientos que se producen" Las pruebas de car)a en pilotes pueden efectuarse en la etapa de dise*o para optimizar el dise*o de la cimentación, sin embar)o, en nuestro medio es poco usual efectuar pruebas de car)a en esta etapa debido a su costo considerable" Lo mas )eneralizado es efectuar pruebas de car)a %erificatorias, es decir se 6ace el dise*o de la cimentación con la información )eot
car)as, el m's usual es el X1rocedimiento !st'ndar de Car)aX &tem "/ de la norma, el cual establece que la prueba sea 6ec6a 6asta una car)a de prueba m'#ima i)ual al 4@@V de la car)a de ser%icio del pilote" La secuencia de la prueba es la si)uiente: Ciclo de Car)a La car)a m'#ima de prueba ser' aplicada en incrementos i)uales al 4V de la car)a de ser%icio" Cada incremento de car)a se mantendr' aplicado 6asta que la %elocidad de asentamiento sea no ma(or de @"4 mm6ora, pero como m'#imo dos 6oras" +ntes ( despu
