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.
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
Os dejo un par de animaciones de Keller sobre la ejecución de micropilotes.
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.
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 dB–A.
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.
Os paso un vídeo donde se utiliza una masa de 7,85 kN que se deja caer desde una altura de 10 m.
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.
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.
Os dejo a continuación algunos vídeos que ilustran el procedimiento constructivo.
Figura 1. Pilote roscado tipo Atlas (Franki). Fuente: http://www.geoforum.com/
Los pilotes roscados tipo “Atlas” y sus variantes son pilotes de desplazamiento hormigonados en obra (ver Figura 1). Presentan forma de tornillo y están diseñados para aprovechar al máximo la capacidad portante del terreno. El terreno se va compactando a la vez que se introduce el pilote. Al extraer la perforadora queda una perforación en forma de tornillo que maximiza la transmisión de esfuerzos a lo largo del fuste.
El proceso constructivo, tal y como se representa en la Figura 2, consta de las siguientes fases:
Puesta a punto y colocación de una punta perdida.
Penetración de la puntera en el terreno hasta la profundidad requerida.
Colocación de armaduras.
Retirada progresiva del útil de corte y perforación girando en sentido contrario y hormigonando el pozo desde el interior del útil.
Figura 2. Pilote roscado tipo Atlas (Franki). Fuente: http://www.geoforum.com/
Figura 1. Hincado de pilote Raymond. Fuente: http://www.pilelineonline.com/devtt.htm
El pilote Raymond, inventado en 1897, es uno de los primeros con tubo de entibación, aunque se sigue utilizando en algunos países, especialmente en los Estados Unidos. Sin embargo, en países como España no se usa actualmente por no ser competitivo frente a otras soluciones. Está formado por varios tramos de tubo de acero de pared delgada, corrugado en espiral, de unos 20 cm de diámetro en la punta. Se enroscan tubos contiguos con longitudes normalizadas, de unos 2,5 m, hasta alcanzar la profundidad requerida. Forma, por tanto, un pilote cónico protegido en el fondo por un cierre resistente, que permite su hincado en terrenos de cierta cohesión.
Este pilote se puede hincar hasta profundidades de 40 m. Es capaz de soportar grandes cargas, de 400 a 750 kN, dependiendo del diámetro de la punta, a pesar del escaso diámetro debido a la forma troncocónica y la superficie lateral corrugada.
La hinca se realiza con un mandril solidario con el tubo, sobre el cual actúa la maza. El mandril es un vástago metálico que se introduce en este tipo de pilotes de acero huecos durante la hinca para evitar la abolladura. Realizada la hinca, se extrae el mandril del pilote y el tubo se rellena de hormigón, con o sin armadura. En la Figura 1 se aprecia el proceso previo de hinca de este tipo de pilote.
Figura 2. http://gluedideas.com/content-collection/Radfords-cyclopedia-of-construction-Vol-6-Concrete-Construction/Concrete-Pile-Foundations_P1.html
Los pilotes de desplazamiento con azuche (pilotes CPI-2 en la nomenclatura de las antiguas Normas Tecnológicas de Edificación), consiste en un tubo de acero hincado en el terreno con un azuche de punta cónica o plana en su extremo inferior, que puede ser metálica o de hormigón prefabricado. Este pilote se realiza sin extracción de terreno, por lo que durante su ejecución no puede comprobarse la naturaleza del suelo que se va atravesando. El hueco generado por la hinca de este elemento se rellena con hormigón fresco y armadura, generando el pilote propiamente dicho. El azuche posee un diámetro exterior mayor en aproximadamente 5 cm que el pilote, con la parte superior cilíndrica ya preparada para introducir en el extremo inferior de la entubación. Se utilizan con diámetros pequeños (entre 30 y 65 cm) y cuando el terreno es resistente, pero poco estable. La armadura tiene una longitud mínima que será el mayor valor de los siguientes: 6 m o 9 veces el diámetro del pilote. La longitud del pilote viene limitada por la longitud de la resbaladera sobre la que desliza la tubería, estando en torno a los 22 m.
Su uso habitual es como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno, después de atravesar capas blandas. También como pilotaje trabajando por fuste y punta en terrenos granulares medios o flojos, o en terrenos de capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia. Se recupera la tubería, si es preciso mediante vibradores, dejando el azuche o tapa perdido.
Con golpes de maza o martillo se hinca desde la parte superior de la entubación y se encaja hasta la profundidad que se requiere para el pilotaje. Luego se extrae la entubación con la precaución de que quede un mínimo de hormigón igual a 2 veces el diámetro interior; de esta manera se impide la entrada de agua por la parte inferior de la entubación y el corte del pilote. Durante la extracción se pierde el azuche. La forma de extraer la entubación es con un golpe en la cabeza, logrando el efecto de vibrado del hormigón, circunstancia que ha dado nombre al pilote “Vibro”, que es el más conocido dentro de este tipo. Para la hinca se usa el martinete (martillo hidráulico o diésel), que consiste en un mazo mecánico que va dando golpes periódicos sobre la cabeza del pilote para introducirlo en el terreno. A parte del pilote Vibro, otros pilotes comerciales que utilizan técnicas parecidas son el Simplex, Alpha o Western.
Este pilote se clava hasta la capa firme y la capacidad portante se puede comprobar por el número de golpes necesarios para alcanzar una penetración determinada. Es muy frecuente utilizar la denominada fórmula de los holandeses, aplicándose un coeficiente de seguridad de 6.
Se pueden describir las siguientes fases de ejecución:
Puesta en obra y colocación de un azuche metálico o tapón en la base.
Hincado de tubería hueca y azuche mediante golpeo con maza o martillo hasta llegar al rechazo.
Colocación de la armadura hasta el fondo del pilote
Hormigonado en seco.
Extracción de la camisa, dejando el azuche o tapa perdido.
Demolición de una longitud no menor a 1 m (descabezado del pilote)
Os dejo a continuación un vídeo Polimedia donde se explica la construcción de este tipo de pilotes.
Pilote de desplazamiento con azuche CPI-2. Norma Tecnológica de EdificaciónReferencia:
La hinca por presión, también llamada “hinca silenciosa”, introduce el pilote o la tablestaca en el terreno mediante una fuerza vertical aplicada con gatos hidráulicos. Es un procedimiento útil cuando no se permiten vibraciones o no hay espacio para los martillos. Su uso es habitual en el recalce de cimentaciones, donde la propia estructura sirve de reacción a los gatos. Sin embargo, es un procedimiento que presenta bajos rendimientos.
Las secciones empleadas con este sistema deben desplazar el terreno fácilmente, como sería el caso de tablestacas o pilotes de hormigón pretensado y sección tubular sin tapa.
La hinca por presión provoca un menor asentamiento del terreno, siendo eficiente en suelos arcillosos, pero menos en terrenos cohesivos densos.
En la figura puede verse el procedimiento de hinca silencioso, donde se puede observar cómo la máquina utiliza la reacción procedente del rozamiento negativo del grupo de tablestacas ya hincadas para hincar la nueva tablestaca.
