Ejecución de un anclaje

Figura 1. Perforación para anclaje en muro de micropilotes. Imagen: V. Yepes

En un artículo anterior se repasó el concepto y la clasificación de los anclajes. Aquí se van a comentar brevemente los aspectos más relevantes de la ejecución de un anclaje.

Para ejecutar un anclaje se introduce la armadura en una perforación previamente realizada en el terreno al que quedan unidos con la lechada de cemento que se inyecta a continuación. Las operaciones, por tanto, son las siguientes:

  1. Perforación.
  2. Colocación del cable o bulón y ejecución del bulbo de anclaje para su fijación en el fondo de la perforación.
  3. Tensado del cable, en su caso.
  4. Inyección de la lechada y cierre de la cabeza del anclaje.

La perforación, normalmente a rotación o rotopercusión, desde 68 mm de diámetro para barras de 25 mm, hasta más de 200 mm para anclajes más complejos. En cuanto al resto de sus componentes, los anclajes pueden ser diferentes en función de la resistencia del propio anclaje y del terreno. La Figura 1 muestra la perforación de una viga riostra sobre un muro de micropilotes para realizar un anclaje al terreno. Las Figuras 2 y 3 muestran detalles de la maquinaria empleada en la realización de las perforaciones para los anclajes.

Figura 2. Maquinaria de perforación a rotopercusión. www.desdeelmurete.com

 

Figura 3. Detalle de la perforación para anclaje en muro pantalla. www.desdeelmurete.com

En los anclajes activos es primordial que el cable quede sujeto en el fondo de la perforación antes de tesar. Para ello se emplean diversos sistemas según el tipo de anclaje, con dispositivos que aíslan el bulbo de anclaje del resto de la perforación. De esta forma se impide que la lechada inyectada en la zona de empotramiento se extienda al resto del cable antes del tensado. El dispositivo más frecuente es un obturador o casquillo expansivo. La inyección en esta zona se efectúa a través de una tubería de PVC situada en el interior de la vaina que cubre el cable, a una presión que puede llegar a unos 2,5 – 3,0 MPa. Estas tuberías van provistas de válvulas anti retorno que pueden taponarla a diferentes profundidades para obtener una mayor penetración al inyectar.

Una vez asegurado el empotramiento, se tensa el cable con gatos hidráulicos bloqueando el extremo en la placa de anclaje con tuercas o conos de anclaje controlando el diagrama de tensiones-alargamientos, que debe coincidir con el teórico si la fijación en el fondo es efectiva (ver Figura 4).

Figura 4. Tesado de cables de un anclaje activo. http://www.fernandeztadeo.com/anclajes.htm

Con el cable en tensión, se inyecta la lechada en el resto de la perforación a una presión del orden de 3 MPa. No deben pasar más de 8 – 12 horas tras la perforación para minimizar la alteración y descompresión de las paredes del terreno. Con la rosca sana, los esfuerzos del cable pueden transmitirse al terreno directamente a través de la lechada; en caso contrario, que es lo más común, independizando la armadura del terreno por medio de una vaina en la que se inyecta la lechada y los productos anticorrosión. La lechada se dosifica con abundante cemento, con una relación agua/cemento entre 0,4 y 0,6 (0,4 para sellado entre la armadura y las vainas anticorrosión. Es necesario el uso de aditivos. El fraguado tarda de 3 a 7 días. En la Tabla 1 se reflejan las características de los cables más empleados.

Tabla 1. Características de los cables más empleados actualmente (Y 1860 S7 15.20)

Límite elástico (N/mm2) 1670
Carga de rotura (N/mm2) 1860
Nº de alambres 7
Diámetro nominal (pulgadas – milímetros) 0,6 – 15,2
Área (mm2) 140
Límite elástico unitario (kN) 260
Módulo de deformación (N/mm2) 200 000

 

En los anclajes pasivos el diámetro de las armaduras está comprendido entre 16 a 40 mm. Se emplean aceros dúctiles, con alargamientos en rotura superiores al 4% para reducir la probabilidad de la rotura frágil del perno. En estos anclajes la transferencia de esfuerzos entre la armadura y el terreno es directa a través de la lechada. Su ejecución es más sencilla que en los activos. La armadura se introduce en la perforación y una vez fijada (algunos pernos van provistos de un casquillo expansivo situado en su extremo que lo fija al fondo de la perforación), se rellena inyectando una lechada con una dosificación similar a la de otros anclajes (a/c ≈ 0,4 – 0,6). La lechada protege el cable y transmite las tensiones entre la armadura y el terreno. En la Tabla 2 se recogen las características de las barras de anclaje más habituales.

Tabla 2. Características de las barras de anclaje más habituales.

Tipo de barra Límite elástico (N/mm2) Carga de rotura (N/mm2)
Corrugada, Gewi o similar 500 550
Dywidag 850 1050

Os dejo a continuación algunos vídeos que espero sean de vuestro interés.

Referencias:

AETESS (2006). Guía Técnica de Seguridad AETESS. Micropilotes y anclajes.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (2001). Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Madrid.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Hinca de pilotes y tablestacas por prebarrenado

Figura. Pilote hincado perforado previamente. https://www.junttan.com/piling-specialist/piling-applications/

En situaciones difíciles, como estratos de arcilla compacta o roca blanda, cuando la técnica de la inyección del agua es inapropiada, se puede optar por una perforación vertical previa mediante una barrena helicoidal de un diámetro bastante inferior al pilote. Al utilizar una perforación previa, se protege el pilote de un hincado demasiado difícil y, además, se reduce el ruido y las vibraciones. El diámetro del prebarrenado dependerá del tamaño y forma del pilote, así como de las características del terreno. Suele ser 100 mm inferior que la diagonal de la sección de pilotes cuadrados o en H, y 25 mm inferior en caso de sección circular. Sin embargo, si el terreno es muy resistente, a veces el diámetro del prebarrenado es igual a la mayor dimensión exterior del pilote.

Esta técnica es aplicable a la hinca de pilotes muy próximos a otra infraestructura, de forma que el desplazamiento radial del terreno puede afectarla. También sería de interés en el caso de que la hinca del pilote transmita fuertes presiones hidráulicas a distancias considerables. Otro caso sería en terrenos de gran susceptibilidad tixotrópica, donde se pueden levantar los pilotes varios metros por la recuperación de las propiedades del suelo.

En otras ocasiones se recurre a la técnica del punzonado cuando los pilotes son pequeños. Consiste en la hinca de un perfil pesado de acero laminado para romper estratos duros, este punzón se tiene que sacar antes de hincar el pilote.

A continuación os dejo un vídeo donde se realiza un prebarrenado antes de la hinca de un pilote metálico de sección en H.

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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¿Qué son los micropilotes?

Figura 1. Micropilotes

Los micropilotes son pilotes de pequeño diámetro de perforación, normalmente de 80 a 300 mm, compuestos por una barra, tubo de acero o de armadura de acero que constituye el núcleo portante, el cual se recubre normalmente de lechada inyectada de cemento que forma el bulbo. Esta inyección favorece el trabajo por rozamiento lateral del fuste. Aparecieron en los años 50 los “pali-radicci” o pilotes-raíz, para solucionar los problemas de recalces de edificios o estructuras, que eran perforaciones con un diámetro pequeño (de 3” o menos), donde se introducía un redondo de acero y se inyectaban con una lechada de cemento.

Los micropilotes estructurales actuales son de mayor diámetro, entre 100 y 150 mm, introduciendo en ellos una armadura. Las características técnicas de los materiales y modo de ejecución de estos micropilotes permiten lograr altas capacidades de carga, normalmente entre 100 y 150 kN, tanto a la tracción como a la compresión con deformaciones mínimas. Se consigue así, un elemento resistente en el que predomina la longitud y resistencia por rozamiento o fuste. El uso de micropilotes es especialmente interesante cuando existen cargas dispersas de poca importancia, terrenos y cimientos heterogéneos, condiciones difíciles de ejecución en espacios reducidos, con restricciones en altura, o zonas congestionadas, y donde se alternan las cargas en tracción y compresión.

Hoy también existen micropilotes de gran capacidad, con diámetros de 300 mm o excepcionalmente de más, donde se introduce como elemento resistente un perfil metálico, generalmente tubular, capaz de resistir 2000 kN o más. Posteriormente se inyecta mortero de cemento para rellenar la sección interior del perfil y sellar la corona exterior entre el perfil metálico y el terreno. Con perforación a rotopercusión, se alcanzan rendimientos de 50 a 100 m por turno. Sin embargo, los costes de este sistema son superiores a otros pilotes, y sólo se justifica cuando hay que atravesar zonas rocosas.

La maquinaria empleada para ejecutar los micropilotes presenta ventajas respecto a la de los pilotes, pues es más accesible y maniobrable en espacios pequeños, reducen los movimientos durante la ejecución y por tanto las deformaciones respecto a estructuras vecinas, son adaptables a suelos duros, heterogéneos y con obstáculos y mantienen bien la verticalidad. Sin embargo, no son tan aptos en terrenos saturados o con nivel freático superior a la cota inferior de la cimentación. En la Figura 2 se muestran algunas máquinas empleadas en la ejecución de micropilotes.

Figura 2. Maquinaria empleada en la ejecución de micropilotes. Fuente: http://www.civogal.com/

La inyección del micropilote se realiza por circulación inversa, bombeándose desde la central de fabricación de lechada y mediante el empleo de batidoras de alta turbulencia. La inyección se realiza por el interior de la armadura hasta el fondo del taladro ascendiendo por el espacio anular existente entre la armadura y el varillaje de perforación, desplazando al exterior el posible detritus de perforación. Según su forma de ejecución los micropilotes pueden estar inyectados a baja o a alta presión. En los primeros se reproduce la técnica del pilote de gran diámetro, se inyecta mortero o mezcla cementicia de forma que se recubre el elemento de acero que constituye la armadura. Los micropilotes inyectados a alta presión se realiza ésta en una o varias etapas a través de válvulas antirretorno, colocado en la parte más profunda del micropilote, de forma que se conforme un bulbo que transmita las cargas en profundidad. Esta última técnica es parecida a la inyección de terreno no cohesivo, formando una serie de bulbos que, en su conjunto, conforman el elemento de transmisión de la carga del micropilote al terreno.

Existen distintos tipos de inyección empleados con los micropilotes:

  • (IU) “Inyección única global”: desde la base inferior del tubo de armado asciende el material de relleno entre las paredes de éste y la del encamisado si lo hay, o del terreno si no lo hay. Sería adecuado para rocas más o menos sanas, suelos cohesivos muy duros y suelos granulares.
  • (IRS) “Inyección repetitiva y selectiva”: a través de las válvulas anti retorno dispuestas a lo largo de la tubería de armado. Sería adecuada para suelos cohesivos no muy duros, suelos de consistencia baja o media y suelos granulares donde se intenta crear un bulbo
  • (IR) “Inyección única repetitiva”: a través de rejillas practicadas a lo largo del tubo. Para rocas blandas y fisuradas y materiales granulares gruesos de compacidad media.

Los micropilotes también se pueden realizan hincando una única tubería y sin inyección de lechada. Es el caso de una cimentación provisional o cuando posteriormente se vaya a excavar dejando los micropilotes a la vista. Como son de acero, esto permite soldar una estructura de arriostramiento. Incluso se pueden formar “muros pantalla” de micropilotes (Figura 3) que contengan tierras en un vaciado, en cuyo caso se descubre la lechada para soldar vigas metálicas a los tubos como estructura auxiliar para el arriostramiento y apuntalamiento provisional del muro. En un artículo anterior podéis ver qué medidas de seguridad se deben adoptar en la ejecución de este tipo de cimentación profunda.

Figura 3. Pantalla de micropilotes con anclajes. Fuente: http://www.geotec262.com/micropilotes-anclajes

A continuación os dejo un vídeo explicativo sobre micropilotes de goetecnia.ONLINE

Os dejo un par de animaciones de Keller sobre la ejecución de micropilotes.

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Pilotes inyectados

Ejemplo de pilote con fuste inyectado. Fuente: UNE-EN 1536

Existe una variedad de pilotes en los que se inyecta mortero o microhormigón sobre pilotes hincados o perforados. Normalmente la lechada contiene aditivos, con una relación agua/cemento entre 0,4 y 0,55. Entre pilotes, podemos distinguir los siguientes:

  • Pilotes “prepacked”: Se rellena la perforación con un árido de tamaño máximo de 25 mm y una granulometría que permita la entrada de una inyección de lechada. La inyección con tubos que suelen llegar al fondo del pilote. Conforme avanza la inyección, se retiran los tubos, pero permaneciendo sumergidos en la lechada para asegurar su distribución uniforme.
  • Inyección de base o de fuste: En los pilotes ejecutados en obra se pueden dejar alojados tubos permanentes, fijados a las armaduras, para inyectar la lechada con el hormigón endurecido. Se puede inyectar tanto en el fuste (Figura 134) como en la base.
  • Inyección de pilotes de desplazamiento: Se dispone de un azuche de diámetro suficiente para dejar un espacio alrededor del pilote que permita la inyección.

Referencias:

AENOR (2016). UNE-EN 156:2011+A1. Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Pilotes perforados.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Concepto y clasificación de los anclajes

Figura 1. Detalle de un anclaje pasivo formado por un bulón. http://cimentacionesyaplicaciones.blogspot.com.es

Los anclajes son dispositivos constituidos por tirantes o por barras rígidas que integradas en un talud de roca o en ciertas partes de una obra (muros, zapatas, etc.) pueden, trabajando a tracción, aumentar su resistencia y estabilidad (Figura 1). Lo habitual es que estén constituidas por armaduras metálicas alojadas en perforaciones realizadas en el terreno, en cuyo fondo se anclan por medio de inyecciones o dispositivos mecánicos expansivos, fijándose luego al exterior de la estructura o a placas que se apoyan directamente en la superficie del terreno. Los anclajes se utilizan en el arriostramiento de estructuras de contención, en la estabilización del terreno, en refuerzo de estructuras o en la absorción de esfuerzos en la cimentación de estructuras (Figura 2).

Figura 2. Ejemplos de aplicación de los anclajes

Los anclajes permiten la movilidad en la obra, siendo más económico su uso en grandes vaciados y superficies que los arriostramientos. Por otra parte, ofrecen seguridad por el hecho de estar tesados, y por consiguiente, haberse realizado una prueba de carga in situ. Sin embargo, una deficiente instalación de los anclajes puede ocasionar fallos estructurales. Además, hay problemas jurídicos si al realizar los anclajes nos salimos de los límites de la propiedad.

Por su forma de trabajar, los anclajes pueden clasificarse en activos, pasivos y mixtos:

  • Anclaje activo: es aquel que, una vez instalado, se pretensa hasta llegar a su carga admisible. De esta forma el terreno se comprime entre la zona de anclaje y la estructura o placa de apoyo. Se utilizan cables tensados.
  • Anclaje pasivo: entra en tracción por sí solo, al presentarse la fuerza exterior y oponerse la cabeza al movimiento del terreno o de la estructura (Figura 3). En consecuencia, puede ser susceptible de sufrir grandes desplazamiento. Se utilizan barras de acero, denominadas bulones o pernos. Normalmente no pasan de 10 m de longitud.
  • Anclaje mixto: se pretensa la armadura por debajo de la carga admisible, reservando una parte de su capacidad resistente a otras eventuales solicitaciones. Se utilizan cables tensados.
Figura 3. Anclaje pasivo con bulón. http://cimentacionesyaplicaciones.blogspot.com.es

Por su tiempo de actuación, los anclajes pueden ser temporales o permanentes:

  • Anclaje temporal: es un medio auxiliar en la construcción que permite estabilizar la estructura durante el tiempo necesario (de 9 meses a 2 años, dependiendo de las normas) para disponer otros elementos resistentes que los sustituyan.
  • Anclaje permanente: se dimensionan con mayores coeficientes de seguridad. Uno de los mayores peligros es la corrosión, tanto para las zonas de bulbo y alargamiento libre, como para la cabeza de anclaje. La Figura 4 muestra un anclaje permanente al terreno.
Figura 4. Anclajes permanentes al terreno. http://www.micros.es/anclajes-permanentes.asp

Os dejo un vídeo de Ingeosolum donde se puede ver cómo se realiza el tesado de anclaje para IngeoNAIL provisional de 3 m de altura en Pamplona.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Hinca de pilotes y tablestacas con mazas de caída libre

Figura 1. Martinete de cabrestante. https://mitrapancang.wordpress.com

La hinca de pilotes con maza de caída libre (Figura 1) es un sistema antiguo, ya utilizado por los romanos. Debido a su bajo coste y simplicidad, su uso se mantiene en la hinca de pequeños pilotes de madera o metálicos para uso provisional. Los equipos más utilizados tienen mazas de 10 a 50 kN que operan con carreras desde 0,2 a 1,0 m. Sin embargo son de golpeteo muy lento.

La maza o ariete se suspende de un cable y desliza por unas guías que hacen la función de gemelas. Existen dos variedades, las que se izan con un cabrestante con embrague, que experimentan cierto frenado por rozamientos y la inercia del cabrestante; y las de escape en la propia maza, siendo estas últimas las que mayor control de energía proporciona por la ausencia de rozamientos del cabrestante. Con pilotes de gran tamaño que a veces sobrepasan los 2 m de diámetro y 100 m de profundidad, la hinca debe efectuarse sin “gemelas”, pues los elementos parciales, de 20 o 30 m, se acoplan a los modelos normales.

En la actualidad se ha recobrado el interés por este tipo de martillos debido a la facilidad de operar dentro de una cámara aislada acústicamente para cumplir las exigentes normativas de ruidos gracias al aislamiento conseguido con la colocación de chapas de acero y plástico, intercaladas en torno al punto de percusión de la maza. Con esta protección se consiguen niveles de ruido tolerables, de 80 a 85 dBA.

Las condiciones del terreno, junto con la longitud, diámetro y peso del pilote o tablestaca, determinan el peso de la maza y la altura de caída más convenientes (Figura 2). Designando por R la resistencia a vencer (función a su vez de la tensión de hundimiento del terreno y de la sección del pilote o tablestaca), h la penetración del elemento a cada golpe, P el peso de la maza y H su altura de caída, se cumple la siguiente condición:

Figura 2. Caída de la maza

Y teniendo en cuenta el peso T del pilote o de la tablestaca y los coeficientes prácticos de corrección, tenemos la siguiente expresión:

donde:

K1 = Coeficiente de eficiencia de la maza

K2 = Coeficiente de restitución del impacto

re = Rebote elástico del conjunto tablestaca-terreno

Los pesos habituales de las mazas son del orden del 75% al 50% del pilote o tablestaca a hincar. En las mazas de caída libre el ritmo de golpeo es lento (del orden de 20 a 30 golpes por minuto), aunque este aspecto no tiene importancia, teniendo en cuenta la escasa duración de la hinca en relación con el conjunto de la obra.

Relacionado con lo anterior, os paso un vídeo explicativo de la hinca dinámica de pilotes y tablestacas. Espero que os sea de interés.

 

Os paso un vídeo donde se utiliza una masa de 7,85 kN que se deja caer desde una altura de 10 m.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Plantas desarenadoras para la reutilización de los fluidos estabilizadores

Figura 1. Desarenador de lodos. ttps://maquinariacimentaciones.wordpress.com

En artículos anteriores hemos descrito los fluidos estabilizadores de excavaciones. Dentro de este uso, la estabilización de excavaciones de muros pantalla esta ampliamente difundida en España. Los fluidos bentoníticos se utilizan también habitualmente para estabilizar las paredes de la excavación de pilotes excavados de cierto diámetro e incluso en los de pequeño diámetro en competencia con las entibaciones recuperables. También se usan en estos fluidos de perforación en la Perforación Horizontal Dirigida. En cualquier caso, uno de los problemas a resolver es separar las partículas de la excavación del fluido para que pueda ser reutilizado. Para ello se describe a continuación brevemente el funcionamiento de una planta desarenadora.

La misión de las plantas desarenadoras es la de separar las partículas de suelo (sólidos) que se encuentran en suspensión en los fluidos estabilizadores. Son necesarias para la reutilización de los lodos (circuito de recirculación). Además de en cimentaciones profundas se utilizan también en plantas de tratamiento de áridos, obras de túneles, etc.

El contenido de arena y otras partículas en suspensión en los lodos minerales debe ser inferior al 4% del volumen antes de volver a verterlo en la excavación. En el caso de polímeros este porcentaje debe ser inferior al 1%. Antes del hormigonado se permite máximo hasta el 10%.

Figura 2. Salida de sólidos de una desarenadora (Bauer)

Se pueden distinguir en el mercado dos tipos de desarenadoras; aquellas por las que el fluido a limpiar pasa una única vez por un hidrociclón y las que pasan dos. El de simple ciclonado está recomendado para terrenos poco arenosos o con arenas poco finas; en este caso, los lodos solo pasan una vez por el ciclón tras pasar por una o varias fases de criba con el objeto de eliminar el material de mayor tamaño. El desarenador de doble ciclonado es más eficaz, pues presentan una mayor capacidad de regeneración del fluido, siendo necesario para terrenos arenosos o con muchas arenas finas, incluso limos; normalmente tras pasar a través del ciclón principal pasan por una serie de hidrociclones más pequeños.

Figura 3. Esquema de la recirculación de fluidos (Caltrans)

 

En la Figura 4 se muestra el esquema de una desarenadora con un solo paso a través del ciclón, en el que se distinguen los siguientes elementos:

(1) Motores para las cribas vibratorias.

(2) Criba de gruesos que realiza funciones de “precribado”, retiene partículas > 5mm.

(3) Tanque de almacenamiento del material procedente de la criba de gruesos.

(4) Bomba de alimentación del ciclón a 2-3 bar.

(5) Hidrociclón;.

(6) Salida de sólidos del hidrociclón.

(7) Cribas separadoras del agua del material grueso procedente del hidrociclón.

(8) Salida superior del hidrociclón, con el fluido “limpio”.

(9) Depósito de regulación

(10) Control automático de nivel.

Figura 4. Esquema de funcionamiento de una desarenadora (Bauer)

El rendimiento de una desarenadora se mide en m3/h de fluido estabilizador regenerado. Para determinar la eficiencia se mide a través del punto de corte o “cut point”, que es el d50, que mide el menor tamaño de partícula en suspensión que al menos el 50% puede ser separado del fluido. Se mide en 1/1000 mm o micras.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Distribución de tensiones bajo una cimentación superficial

Figura 1. Distribución de la tensión transmitida al terreno

Las cimentaciones superficiales suelen ser las más utilizadas, especialmente en edificación, pues presentan un menor coste por carga soportada y una mayor facilidad de ejecución. Los esfuerzos, tanto los verticales, los horizontales, como los momentos, se transmiten en su totalidad al terreno a través de su base de contacto y origina en el terreno unas distribuciones que se consideran normalmente planas. No debe rebasarse la capacidad portante del terreno y las deformaciones producidas deben ser admisibles para la estructura. En la Figura 1 se puede ver cómo una excentricidad en la carga puede provocar zonas de despegue de tensiones en el apoyo de la zapata. En la Figura 2 se observa cómo cambia la distribución de presiones en función de tipo de suelo (cohesivo, granular o roca) y del tipo de zapata (rígida o flexible). Sin embargo, con cimentaciones corridas o aisladas y con los vuelos de zapata habituales, se acepta una distribución uniforme de presiones. Es importante la forma en que se transmiten los esfuerzos al terreno, puesto que la carga soportada por éste es mucho menor que la del elemento en contacto con él.

Figura 2. Distribución de tensiones en función de la naturaleza del suelo

Un aspecto de gran importancia es la presencia de agua, pues su agotamiento supone un incremento en coste y un aumento de plazo que puede hacer inviable una cimentación superficial. Por otra parte, el nivel freático no influirá en la capacidad portante del terreno si dicho nivel se encuentra por debajo de la superficie del cimiento a una profundidad mayor a 1,5 veces el ancho de la zapata.

A continuación os dejo un vídeo donde explico con más detalle lo que es una cimentación superficial y los tipos que existen. Espero que os sea de interés.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Principios de las perforaciones a rotación

Figura 1. Principio de la perforación rotativa

En un artículo anterior explicamos los fundamentos de la perforación por extracción de material. De entre los procedimientos existentes, la perforación mecánica por rotación constituye uno de los procedimientos más habituales. Aquí vamos a explicar los principios básicos en los que se basa.

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía al terreno haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una fuerza de empuje. Este tipo de perforación se empezó a utilizar en minería sobre rocas blandas; sin embargo, la rapidez de desplazamiento y montaje de estos equipos, la variedad de útiles de corte han favorecido su uso en otros campos.

El giro del útil lo realiza el motor de la perforadora en superficie, que acciona una mesa o cabeza de rotación que, a su vez, mueve el tren de varillaje y éste finalmente transmite el giro al útil. Los útiles de corte que se emplean en rotación son las barrenas helicoidales, las coronas circulares y las cabezas tricono, según el tipo de terreno, del diámetro del talador y de la finalidad de la perforación (extracción de testigos o avance a destroza).

La perforación a rotación presenta características diferentes si se realiza en roca o en suelos. En roca el avance se produce por corte y compresión: el giro se realiza mediante sonda o rotor y la presión por barra de carga, varillaje y empuje hidráulico. En el caso de los suelos, si éstos son granulares no demasiado cohesivos, la perforación se realiza con una barrena helicoidal; en el caso de granulares muy sueltos es necesario el uso de cucharas.

En otros artículos anteriores ya hablamos de la perforación rotativa de rocas, de la perforación rotativa con triconos, de la perforación rotativa con cazo, del sondeo a rotación con barrena helicoidal, entre otros. También podéis leer algunas entrada que escribimos en su momento sobre técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico,  la ejecución de pilotes o de procedimientos de perforación horizontal dirigida con sistemas de perforación a rotación.

Sistemas de avance

El avance de la perforación rotativa en rocas se produce por la influencia simultánea de la presión que el útil de corte ejerce sobre el terreno y el efecto producido por el giro de dicho útil sobre la roca. Estas dos acciones se pueden provocar con diversos medios y potencia según las fuentes de energía y los sistemas de empuje y rotación empleados.

Las formas de energía motriz de uso más frecuente son la térmica y la eléctrica. La primera se suele utilizar en perforadoras pequeñas y medianas, generalmente montadas sobre camión en equipos accionados por el propio motor del camión o más frecuentemente por dos motores, el del camión más otro independiente. Para perforadoras montadas en equipos de mayor tamaño (diámetros de perforación superior a 250 mm, lo más normal es emplear energía eléctrica a media tensión, alimentando la perforadora con corriente alterna. En algunas instalaciones mineras también se emplean equipos diésel-eléctricos cuyo coste de mantenimiento es aproximadamente un 15% inferior al de los equipos diésel.

La aplicación de la potencia se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

Figura 2. Perforación a rotación para estudios de terrenos

Empuje y elevación

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia del terreno y del diámetro de la perforación (Figura 3). El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 t. Los sistemas de empuje, además de proporcionar la presión suficiente sobre el fondo de la perforación, sirven para elevar y manipular el conjunto de varillas o barras que hay que añadir o quitar durante la ejecución de la perforación. Se pueden emplear sistemas mecánicos (por cadena o cremallera) o hidráulicos. Los sistemas hidráulicos están formados por dos cilindros combinados, son más potentes y fácilmente controlables.

Figura 3. Mecanismos de empuje y elevación

El empuje transmitido al fondo del taladro debe ser suficiente para que el efecto conjunto sobre la roca genere una tensión superior a su resistencia a compresión. Pero tampoco conviene un empuje excesivo que aumente el desgaste del equipo. La velocidad de penetración aumenta proporcionalmente al empuje hasta un límite a partir del cual el útil se agarrota y los insertos se incrustan en la roca. En estas condiciones, el desgaste aumenta considerablemente junto con un mayor consumo de energía y, si la roca es dura, puede producirse la rotura de los dientes del útil (Figura 4).

Figura 4. Relación velocidad de avance-empuje

Como suele ser habitual, os dejo unos vídeos al respecto.

Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.

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Hinca por vibración de pilotes y tablestacas

Figura 1. Vibrohincador suspendido desde una grúa. Fuente: www.apevibro.com.mx

Los primeros vibrohincadores se utilizaron en la Unión Soviética en 1934, pero su empleo se popularizó a partir de los 50, cuando se perfeccionaron. Esta técnica se basa en la reducción de la fricción de las partículas del terreno por medio de vibraciones para facilitar la hinca del pilote o la tablestaca. El método es apropiado en suelos granulares, especialmente saturados, y en algunos cohesivos si están saturados. Es el método de hinca más económico si se dan las condiciones adecuadas, alcanzándose hasta 0,5 – 1,0 m de hinca por minuto, siendo más silenciosos que los martillos. Los efectos de la vibración dependen del tipo de suelo; así como la pérdida del rozamiento en la arena se consigue con frecuencias bajas (5 Hz), en las arcillas es necesaria una frecuencia superior. La hinca por vibración de pilotes y tablestacas se utiliza en la práctica en perfiles metálicos.

El vibrohincador se utiliza tanto en la hinca como en la extracción de pilotes con secciones abiertas en H, tubos de acero sin tapa en la punta y en tablestacas. Todas ellas son secciones donde existe un bajo desplazamiento del suelo. Sin embargo, con determinados tipos de suelos, sería posible incluso la hinca de pilotes de sección cerrada.

El funcionamiento del vibrohincador se basa en el movimiento de unas masas excéntricas cuya resultante es una oscilación vertical pura al girar a la misma velocidad pero en sentidos opuestos. Modifican la frecuencia de vibración en función del suelo; así, una alta frecuencia (20-40 Hz) proporciona una menor transmisión de vibraciones al entorno. La vibración se transmite a través de unas presillas o mordazas que sujetan el pilote o la tablestaca.

Figura 2. Esquema de un vibrohincador

El vibrador queda suspendido por grúa o sobre retroexcavadoras con mástil-guía para asegurar el guiado. La vibración no se transmite gracias a un amortiguador. Además, en el caso de la suspensión de una grúa, ha de cuidarse que cable de suspensión tenga longitud suficiente para evitar que la grúa acuse los efectos de la vibración. La extracción se puede realizar haciendo girar las excéntricas en sentido contrario.

Figura 3. Mordaza hidráulica para vibrohicador aplicado a un encamisado de pilote. Fuente: http://www.gandara.com.mx/maquinaria_accesorios.php

Hasta hace poco se utilizaban los vibradores eléctricos. Sin embargo, la tendencia actual son los vibradores hidráulicos, que con menor peso, permiten un reglaje continuo de la vibración. Los modelos recientes superan los 350 kW de potencia, con posibilidad de regular la amplitud y la frecuencia y por tanto, con la ventaja de adaptarse a diversos tipos de terreno. De hecho, los vibrohincadores se pueden clasificar atendiendo a su frecuencia de trabajo:

  • Vibrohincadores de baja frecuencia (5-10 Hz). Para pilotes de grandes secciones (hormigón y tubos ciegos de acero).
  • Vibrohincadores de frecuencia media (10 – 30 Hz). Para pilotes de acero de pequeña sección y tablestacas. Son los más frecuentes.
  • Vibrohincadores de alta frecuencia (> 30 Hz). Minimizan el impacto de las vibraciones en el entorno y estructuras vecinas.
  • Martillos resonantes (90 – 110 Hz). Inducen una respuesta resonante en el pilote. No son muy usados.
  • Martillos de impacto-vibración. De uso muy limitado, proporciona tanto una vibración vertical como impactos durante la hinca.

A continuación podéis ver un vídeo explicativo de lo anteriormente expuesto. Espero que os sea útil.

Os dejo a continuación algunos vídeos que ilustran el procedimiento constructivo.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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