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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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.

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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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.

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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Pilotes metálicos hincados

Figura 1. Hinca de pilote metálico. Fuente: http://codocsa.com/proyectos/

Los pilotes de acero presentan secciones pequeñas que producen poco desplazamiento del suelo durante la hinca, y por tanto, una modificación pequeña de la tensión del suelo contiguo. La hinca suele realizarse mediante el golpeo de la cabeza del pilote, protegido mediante un sombrerete que amortigua los golpes de la maza. Sin embargo, en suelos muy sueltos a veces se utiliza la inyección hidráulica o la vibración.

En función de la sección, los pilotes de acero hincados se clasifican normalmente en tres tipos:

  • Perfiles circulares: Son tubos de 0,20 a 1,00 m y longitudes de 10 a 15 m que se unen por soldadura, una vez colocados en la obra. Se pueden hincar con o sin tapa en la punta, pudiéndose rellenar posteriormente de hormigón, en cuyo caso remitimos a los pilotes de desplazamiento con tubo perdido.
  • Perfiles en H: Son secciones abiertas muy resistentes a compresión y flexión (ver Figura 1), por lo que absorben bien esfuerzos horizontales como los sismos. Resiste mejor los impactos del martinete que otras secciones y superan fácilmente los estratos duros, en parte porque desalojan poco material. A veces forman parte de pilotes entubados rellenos de hormigón.
  • Perfiles tubulares: Formados por chapas de acero soldada o machihembrada (ver Figura 2), que forman un cajón de secciones diversas (tablestacas). Se emplean con su extremo inferior abierto o cerrado; en este último caso se trata de una entubación perdida que se rellena de hormigón.
Figura 2. Ejemplos de secciones transversales de tablestacas de acero. Fuente: EN-UNE 12699

A continuación dejamos un vídeo donde se puede ver la hinca de perfiles metálicos con martillo hidráulico.

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 o tablestacas por inyección de agua a presión

Pilote de hormigón armado hincado con lanza de agua a presión (FHWA)
Pilote de hormigón armado hincado con lanza de agua a presión (FHWA)

La hinca de elementos en suelos granulares compactos como las arenas, especialmente en terrenos secos, presentan serias dificultades que pueden resolverse mediante la inyección de agua a presión en la punta del pilote o la tablestaca o en alojamientos previamente preparados en sus caras. La presión del agua, de unos 0,4 a 4 MPa, debe ser apropiada al tipo de terreno y al elemento a hincar, con un caudal de alimentación permanente del orden de 72 a 900 m3/h.

Este procedimiento, aunque podría ser suficiente para la hinca, lo usual es que se combine con otros sistemas de tipo dinámico, especialmente la vibración. La hinca con chorro de agua es muy recomendable en zonas donde el rechazo se presente al 100%, como son los terrenos arenosos, sin embargo, en suelos arcillosos, la eficacia de la inyección de agua es prácticamente nula. En terrenos granulares con gravas gruesas y bolos, la inyección de agua puede no movilizarlas, y por tanto, también el efecto es bajo. Con todo, hay que prever las consecuencias que puede tener en el entorno de la hinca por la pérdida de cohesión que tendrá el terreno. Este procedimiento no se recomienda en aquellos pilotes que vayan a trabajar por fuste o que soporten cargas horizontales importantes, debido justamente al aflojamiento del terreno.

Las normas obligan a que la lanza de agua se quede entre 1 y 4 m por encima de la profundidad prevista, puesto que el suelo se afloja. La hinca se terminará, por tanto, con un procedimiento ordinario. Esta prescripción es muy importante en el caso de los pilotes que trabajen por punta. También se suspenderán los trabajos si el pilote empieza a torcerse debido a una perturbación excesiva del terreno.

Dejamos a continuación un vídeo para ilustrar 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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Pilotes de desplazamiento

hincado13Los pilotes de desplazamiento se construyen sin extraer las tierras del terreno. Están constituidos, total o parcialmente, por elementos prefabricados que se introducen en el suelo sin excavarlo previamente mediante un procedimiento denominado de forma genérica hinca. La introducción de un volumen adicional en el terreno produce una modificación significativa de su estado tensional.

En función del tipo y comportamiento del terreno el efecto de la hinca sobre el mismo es diferente. Así, se distingue claramente entre suelos granulares y suelos cohesivos:

  1.  En suelos granulares, la introducción de un volumen adicional hinca produce su compactación. Ello provoca, en general, una depresión en la superficie del terreno en la zona circundante al pilote.
  2. En suelos cohesivos, la hinca provoca una perturbación debido al aumento de las presiones intersticiales, el arrastre de una pirámide de suelo bajo la punta, la rotura de estratos intermedios, etc. Estas modificaciones suponen un comportamiento dependiente del tiempo del suelo cohesivo, por disipación de presiones intersticiales y, en general, su endurecimiento.

La hinca es el procedimiento de introducción de pilotes en el terreno mas antiguo –los primeros pilotes fueron de madera-. La hinca puede  realizarse con diferentes métodos o sistemas:

  • Hinca dinámica o por impacto. Se introduce el pilote en el terreno mediante una sucesión de golpes en la cabeza del mismo con unos equipos denominados martinetes o martillos. Es el método de hinca mas versátil y mas utilizado.
  • Hinca por vibración. Unos equipos denominados vibrohincadores. Su uso está prácticamente limitado a la hinca de perfiles metálicos, tanto de pilotes como de tablestacas.
  • Hinca por presión.
Pilotes prefabricados. Vía http://fernandeztadeo.com

Una vez hincado en el terreno, éste ejerce sobre el pilote y en toda su superficie lateral, una fuerza de adherencia que aumenta al continuar clavando mas pilotes en las proximidades, pudiendo conseguir mediante este procedimiento, una consolidación del terreno . Es por ello que la hinca de un grupo de pilotes se debe realizar siempre de dentro hacia afuera.

Existen en el mercado un buen número de tipos de pilotes  que pueden ser considerados como pilotes de desplazamiento atendiendo a los efectos que produce su introducción en el terreno. En su mayor parte, se trata de elementos prefabricados que son introducidos mediante  hinca, aunque hay otros, cuyas técnicas de ejecución son mas similares a las de los pilotes de extracción que sin embargo deben ser considerados como pilotes de desplazamiento.

 Según la configuración del pilote, se pueden diferenciar dos grupos de pilotes de desplazamiento:

  • Pilotes de desplazamiento prefabricados. El pilote es un elemento estructural completamente prefabricado previamente y es introducido en el suelo  mediante hinca u otros sistemas. Dentro de este grupo están los pilotes de madera, de hormigón armado o pretensado y los pilotes metálicos.
  • Pilotes de desplazamiento hormigonados “in situ. Se introduce en el terreno mediante hinca u otro sistema, no el pilote sino un elemento auxiliar (tubo metálico con tapón en la punta o un tapón de gravas u hormigón). El hueco generado por la hinca de este elemento se rellena con hormigón fresco y armadura, generando el pilote propiamente dicho. El elemento auxiliar o parte de él puede ser posteriormente extraído. Dentro de este grupo están los pilotes de hormigón “in situ” con camisa prehincada, los pilotes de hormigón “in situ” apisonados tipo “Franki”, los pilotes roscados sin extracción de terreno y otros.

 

La principal limitación de los pilotes hincados prefabricados es la posibilidad de encontrar un estrato competente difícil de atravesar. Además, para cubrir la profundidad requerida se debe desperdiciar cierta longitud de material y hay que prever un almacenamiento e inversión importante de los prefabricados.

Un artículo para ampliar información sobre diseño y pruebas de pilotes prefabricados hincados podéis verlo en un artículo de Carlos Fernández Tadeo:  http://fernandeztadeo.com/WordPress/?p=2647

Os dejo a continuación un vídeo sobre la construcción e hincado de pilotes de 40 x 40 cm de sección y 15,00 m de longitud en un tramo. Para mayor información: www.cimentacionesaplicadas.com

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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Hincado de perfiles con martinete neumático

La hinca es la operación de introducir los pilotes prefabricados en el terreno. Esta hinca se realiza con una máquina denominada machina o martinete, que lleva montado un martillo de impactos y ocasionalmente vibrohincadores. En el caso del martinete neumático, el ariete que golpea asciende gracias a la presión del aire comprimido. En el caso del martinete de simple efecto, se introduce el aire comprimido en un cilindro para levantar una maza (0,6 a 1,5 m de carrera) y luego se libera el aire para que la maza caiga por gravedad. Suelen darse entre 35 y 60 golpes por minuto. En el de doble efecto, el aire comprimido también se utiliza para acelerar la caída de la maza. Como ventajas podemos apuntar la sencillez de la operación y el mantenimiento, así como el buen control de la energía aportada. En cambio, es necesario equipos externos (compresor).

Para que podáis ver cómo trabajan estas máquinas, os dejo un par de vídeos que espero os gusten.