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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Pilotes roscados Atlas

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/

Referencia:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Pilote Raymond cónico escalonado

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

Os dejo un vídeo al respecto.

Referencia:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Los pilotes metálicos

Figura 1. Hinca inclinada de pilotes metálicos. Fuente: http://sheetpiling.arcelormittal.com/

Los pilotes metálicos hincados son pilotes de desplazamiento que empezaron a utilizarse en 1890. Actualmente son de acero, si bien en España prevalecen los pilotes de hormigón. Son perfiles laminados en caliente, con diversas secciones transversal y longitudinal. El transporte de estos elementos es sencillo y se pueden instalar nada más recibirlos en obra. Los pilotes metálicos se pueden agrupar atendiendo a su puesta en obra: pilotes hincados o pilotes roscados.

Su alta resistencia a compresión facilita atravesar los estratos duros; asimismo, son resistentes a flexión y cizallamiento, lo que permite la hinca inclinada sin riesgo de fisuración. Se alcanzan profundidades elevadas mediante soldadura o atornillado de tramos contiguos. Además, son fáciles de recuperar salvo que se les dote de algún dispositivo como unas aletas soldadas o anclajes.

Son pilotes relativamente costosos y la hinca puede ser ruidosa. Sin embargo, el principal inconveniente es la corrosión, especialmente en climas cálidos o con alternancia de humedad y sequedad. Para protegerlos se recubren de pinturas anticorrosivas y se sobredimensiona su sección para incluir el deterioro previsible. No obstante, el pilote metálico no suele plantear problemas cuando queda permanentemente bajo el agua, al igual que los de madera. Así lo corroboran numerosas obras marítimas cimentadas con estos elementos.

En sucesivas entregas describiremos los distintos tipos de pilotes metálicos: hincados (perfiles circulares, en H o tubulares), atornillados y de disco.

Os dejo esta presentación donde podéis conocer los aspectos básicos de este tipo de pilotes.

En este vídeo podemos observar la hinca de pilotes metálicos sobre el río Paranapura.

Referencia:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Pilotes de madera

Figura 1. Protección de pilotes en contacto con agua marina. Fuente: http://www.dsimarineconstruction.com/piling-repair/

Los pilotes de madera son pilotes de desplazamiento. Este tipo de cimentación profunda empezó a utilizarse en la antigüedad. Hoy día son útiles en países con abundancia en este material, con la ventaja de ser baratos, ligeros y de fácil manejo. En España, si bien se utilizaron hasta los años 60, su uso actual es muy limitado, empleando troncos de entre 20 y 30 cm de diámetro de encina o eucalipto, si bien los de pino, abeto y roble mejoran la durabilidad por contener mucha resina.

Los pilotes de madera son útiles en cimentaciones provisionales de pequeñas estructuras, como base de terraplenes o para mejorar grandes extensiones de terreno. Trabajan mejor por fricción que por punta. Se usan maderas densas, que absorben flexiones y admiten ligeras desviaciones durante la hinca. Sin embargo, son elementos de pequeña capacidad portante, entre 150 y 250 kN, no debiéndose usar para cargas mayores. Además, para atravesar estratos duros es precisa una perforación previa.

Tampoco admiten variaciones de humedad salvo que se traten para evitar la pudrición y los ataques biológicos (ver Figura 1). Para proteger la madera se usaba el “creosotado”, un derivado del fraccionamiento de los alquitranes de la hulla con cualidades biocidas; sin embargo hoy está prohibido en la Unión Europea por su potencial cancerígeno. Los pilotes duran más tiempo si están permanentemente sumergidos, de 25 a 50 años en ambiente marino. Si se encuentran por encima del nivel freático y enterrados, pueden durar hasta 100 años.

Los pilotes de madera se hincan con equipos de percusión ligeros. Para evitar el astillamiento por la maza, la cabeza del pilote se refuerza con un zuncho o anillo metálico ajustado en caliente y a presión para que al enfriarse aprisione la madera por contracción. También la punta se disgrega con los golpes, por lo que se protege con una pieza metálica, “azuche”, bien centrada para evitar desviaciones durante la hinca (ver Figura 2). El azuchamiento debe realizarse con cuidado, de modo que la punta del azuche quede alineada con el eje, de forma que evite desviaciones en la hinca. Además se pueden unir tramos de pilotes con manguitos tubulares metálicos, pues sus longitudes máximas habituales son entre 10 y 20 m.

Figura 2. Protección metálica de punta de pilote de madera. Fuente: http://listado.mercadolibre.com.ar/antiguedades/pilotes-y-armaduras-de-hierro

Os dejo un vídeo de la empresa Maquinarias JACANO donde se puede ver la hinca de maderos de eucalipto con una vibro.

A continuación os dejo un vídeo donde se observa cómo se coloca este tipo de pilote en zonas con muy pocos medios auxiliares.

Para aquellos que queráis mayor información sobre los pilotes de madera, os dejo información de AITIM (Asociación de Investigación Técnica de las Industrias de la Madera).

Descargar (PDF, 612KB)

Referencia:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Concepto de pilote y clasificaciones

Figura 1. Armado de encepado de pilotes. Imagen: I. Serrano (www.desdeelmurete.com)

El pilotaje se utiliza cuando no es posible realizar una cimentación superficial; por ejemplo, cuando se deben transmitir cargas a gran profundidad (más de 6 m o bien más de 8 diámetros del pilote). Se trata de una solución constructiva que se remonta a los palafitos, siendo práctica habitual en los puertos o en ciudades como Murcia, donde se han usado los prefabricados de madera como cimentación. Sin embargo, el cálculo de pilotes no se desarrolla hasta prácticamente el siglo XX, con el nacimiento de la Mecánica del Suelo, exceptuando fórmulas de hinca del siglo XIX y ciertas reglas de buena práctica. A continuación se describen los conceptos fundamentales sobre los pilotes, cómo se pueden clasificar y construir.

En efecto, los pilotes son piezas largas, a modo de pilares enclavados en el terreno, que alcanzan una profundidad suficiente para trasmitir las cargas de la estructura. Se denomina fuste a la parte del pilote en contacto con el suelo, mientras que altura libre es la longitud de la parte que emerge del suelo. La base es el plano inferior del pilote o proyección en planta de toda o parte de la punta, y que habitualmente se denomina “punta”. El encepado transmite los esfuerzos de la estructura a los pilotes (Figura 1). En cuanto a tamaños, habitualmente se consideran pilotes de gran diámetro si éste supera el metro; en cambio los micropilotes son aquellos con diámetros inferiores a 30 cm. En cuanto a profundidad, se consideran pilotes cortos hasta 10 – 12 m, y pilotes largos a partir de los 30 – 35 m, aunque los límites son discutibles. Los pilotes pueden clasificarse de muchas formas, algunas son las siguientes.

Según la forma de trabajo (ver Figura 2) los pilotes pueden ser:

  • Pilotes por punta: alcanzan el estrato resistente, transmitiéndose las cargas por punta, comprimiéndose el pilote. El terreno circundante dificulta el pandeo. La deformación del pilote es muy pequeña por su rigidez, de forma que el movimiento relativo con el terreno no es significativa. También se llaman pilotes columna.
  • Pilotes por fuste: no alcanzan un estrato resistente, transmitiendo la carga al terreno circundante por rozamiento a través del fuste. Se llaman también pilotes flotantes o de fricción.
Figura 2. Esquema de cimentaciones profundas (pilotajes) según el Código Técnico de Edificación SE-C. Fuente: http://noticias.juridicas.com/base_datos/Admin/rd314-2006.nor7.html

Sin embargo, los pilotes trabajan de forma combinada, tanto en punta como en fuste. En realidad, el reparto de cargas entre la punta y el fuste depende de las rigideces relativas del pilote y del terreno. Es por ello que, aunque muchos proyectistas descansan la responsabilidad del trabajo del pilote a su punta, la realidad es que estos pilotes trabajan de forma mixta. Además, pueden estar sometidos a tracción cuando existe subpresión que tiende a levantar la estructura por encontrarse total o parcialmente por debajo del nivel freático, es decir “flota”. En rellenos en proceso de consolidación, el pilote se ve arrastrado por el terreno que asienta, denominándose este fenómeno “rozamiento negativo”. Si la estructura recibe esfuerzos horizontales, algunos pilotes pueden trabajar a tracción y otros a compresión. También trabajan a flexión si están empotrados y resisten el empuje de las tierras al excavar. Asimismo, se podría hablar aquí de los pilotes de mejora del terreno, que corresponden a técnicas generales que normalmente se realizan previamente.

Por tanto, los pilotes resultan muy apropiados en casos como los siguientes:

  1. Cuando se disponga de un terreno competente a poca profundidad (5-6 m)
  2. Las cargas de la estructura sean importantes y concentradas
  3. La estructura sea sensible a movimientos absolutos o diferenciales
  4. El nivel freático se encuentre muy alto y sea difícil ejecutar losas
  5. Para limitar el efecto de las cargas en estructuras próximas
  6. Como elemento de contención formando pantallas de pilotes
  7. Para contener movimientos de ladera
  8. Para resistir cargas horizontales (normalmente combinado con otros y con inclinación)
  9. Para compensar tracciones (subpresiones)

El Código Técnico de Edificación clasifica los pilotes en los siguientes tipos:

  • Pilote aislado: es un pilote alejado suficientemente de otros para no interactuar con aquellos. Si los pilotes se hormigonan “in situ”, no se permiten pilotes aislados para diámetros menores a 450 mm, mientras que entre 450 y 1000 mm de diámetro se pueden utilizar si se arriostran lateralmente. Si los pilotes son prefabricados hincados se podrán construir aislados siempre que se arriostren en dos direcciones ortogonales y se demuestre que los momentos resultantes en dichas direcciones se anulan o se absorben por la armadura del pilote o por las vigas riostras.
  • Grupo de pilotes: conjunto de pilotes suficientemente próximos para interactuar entre sí o unidos mediante elementos estructurales.
  • Zonas pilotadas: son pilotes de escasa capacidad portante individual, regularmente especiados o situados en puntos estratégicos, que sirven para reducir asientos o mejorar la seguridad frente a hundimiento de las cimentaciones.
  • Micropilotes: son aquellos compuestos por una armadura metálica formada por tubos, barras o perfiles que se introducen en un taladro de pequeño diámetro, y que pueden estar inyectados con una lechada de mortero.

El Código Técnico de Edificación también distingue los pilotes por el material:

  • Hormigón “in situ”: se pueden ejecutar mediante excavación previa del terreno o por desplazamiento de éste.
  • Hormigón prefabricado: armado (hormigones de alta resistencia) u hormigón pretensado o postensado.
  • Acero: secciones tubulares o perfiles en doble U o en H. Se hincan con protecciones en la punta (azuches).
  • Madera: para pilotar zonas blandas ampliar y como apoyo de estructuras con losa o terraplenes.
  • Mixtos: acero tubular rodeados y rellenos de mortero.

Por la forma de ejecución, este Código Técnico los clasifica en:

  • Pilotes prefabricados hincados: donde se desplaza el terreno, sin hacer excavaciones.
  • Pilotes hormigonados “in situ”: donde se excava el terreno antes de hormigonar.

Sin embargo, existen casos mixtos, con perforación e hinca, como pilotes de desplazamiento hormigonados “in situ”, la perforación más hinca, la perforación más vibración, hinca más inyección u otros. La tipología condiciona la alteración del terreno en el entorno del pilote y por tanto, la resistencia y deformabilidad.

Se consideran pilotes de gran diámetro los comprendidos entre 850 y 3000 mm. Se utilizan para grandes cargas, ahorran encepado y se pueden inspeccionar desde el interior. Sin embargo no son adecuados cuando se requiere resistencia importante por fuste, pues en ese caso tenemos más perímetro si tenemos más pilotes de menor diámetro. Lo habitual es que estos pilotes se construyan mediante lodos estabilizadores, camisa recuperable o sin entubación.

Otra posibilidad es ejecutar pilotes acampanados por su base, utilizando para ello un balde de quijadas. El ensanche de la base del pilote, al doble del diámetro del fuste, permite aumentar mucho la resistencia por punta en arcillas firmes. Con esta tipología se pueden construir pilotes de hasta 20000 kN.

Como los pilotes aislados no resisten bien los esfuerzos horizontales ni los momentos, se emplean grupos de pilotes unidos mediante un encepado en cabeza. El encepado reparte las cargas y se predimensionan como rígidos, con un canto de 1,5 veces el diámetro de los pilotes. No se debería colocar un pilar importante sobre menos de tres pilotes y tampoco se debería colocar un muro importante sobre menos de dos filas de pilotes. Por otra parte, cuando una serie de pilotes están cerca unos de otros, se produce una reducción de la resistencia global por interacción mutua. En general, no se considera el efecto de grupo para una separación entre ejes de pilotes igual o mayor a 3 diámetros.

En lo que sigue, dividiremos los pilotes en pilotes de desplazamiento, pilotes de perforación, pilotes inyectados y micropilotes.

No es posible afirmar, de forma categórica, que un procedimiento constructivo de un pilote sea mejor a otro. La elección es un arte complejo, pues supone balancear las ventajas e inconvenientes para cada uno de los casos. A veces, varias técnicas son válidas y la elección final es un problema económico o de plazo. Pero otras veces hay soluciones malas, incluso algunas buenas mal ejecutadas. Siempre hay que vigilar la construcción y realizar pruebas de carga sin no hay experiencia directa para controlar la carga admisible.

El profesor Celma (2014) nos sugiere los siguientes criterios para la elección del tipo de pilote (Tabla 1):

En la Tabla 2 se recogen algunas de las características de los pilotes más frecuentes. Algunas de estas características se comentarán más adelante durante el curso.

Tabla 2. Características de los pilotes más frecuentes (Justo Alpañes et al.)

Tipo

Lmax (m)

dmax (mm)

Qmax (kN)

Circunstancias en las que no puede utilizarse
Prefabricado de hormigón

90

425

1600

Cercanía de edificios antiguos
Barrena continua

23

1000

3300

Cuando hay bolos

Pilotes inclinados

Perforado con lodos

25

2000

13000

Terrenos muy permeables.

Pilotes inclinados

Perforado en seco

80

3000

20000

Solo se puede usar en suelos firmes
Entubación recuperable

25

1500

10000

Pilote caro

 

Os dejo a continuación un vídeo explicativo sobre este tema que espero sea de vuestro interés.

Aquí tenéis una explicación que hice para mis estudiantes, con la información algo más ampliada.

También os dejo este vídeo de geotecnia.ONLINE sobre pilotes.

Referencias:

CELMA, J.J. (2014). Cuadernos de mecánica del suelo y cimentaciones. Apuntes Universitat Politècnica de València, 194 pp.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Criterios básicos de elección del tipo de cimentación

Figura 1. Colocación de armadura en zapata. Imagen: V. Yepes

El tipo de cimentación se selecciona en función el tipo de terreno, del tipo de estructura y de la interacción con los edificios próximos. El terreno influye por su capacidad portante, por su deformabilidad, por la existencia de nivel freático, por su excavabilidad o alterabilidad, entre otros. En el tipo de estructura son determinantes las cargas, las tolerancias a los asientos y la presencia de sótanos. Son muy susceptibles aquellos edificios cercanos antiguos con cimentación somera o cuando las cargas van a ser muy diferentes entre los edificios próximos.

La cimentación por zapatas constituye la solución tradicional por economía y facilidad de ejecución. Es una buena solución cuando la resistencia del terreno es de media a alta, sin estratos blandos interpuestos. Es la cimentación ideal si el terreno presenta una cohesión suficiente para mantener verticales las excavaciones, no existe afluencia de agua y el nivel de apoyo se encuentra a menos de 1,5 m, si bien se puede rellenar la diferencia con un hormigón pobre en el caso de mayores profundidades. En edificios ligeros y muros de carga se utilizaban zapatas de hormigón en masa, si bien hoy día se realizan con hormigón armado. Cada pilar asienta de forma independiente sobre cada zapata. Como inconveniente cabe citar la escasa resistencia a giros y a desplazamientos horizontales, que pueden resolverse con riostras, zapatas combinadas o vigas de cimentación.

Figura 2. Desencofrado de zapata. Imagen: I. Serrano (www.desdeelmurete.com)

La cimentación por losa se utiliza en terrenos menos resistentes o heterogéneos, especialmente para tensiones admisibles menores a 0,15 N/mm2. Es económica si la superficie de la cimentación supera la mitad de la extensión que ocupa el edificio. Una ventaja adicional es que anula o reduce los asientos diferenciales. Asimismo se aconseja cuando el edificio presenta un sótano bajo el nivel freático, combinado con muros pantalla. La facilidad constructiva sugiere losas de canto constante, salvo en edificios con zonas cargadas de forma diferente para garantizar la compatibilidad de las deformaciones.

Figura 3. Hormigonado de una losa de cimentación. Fuente: edificio7000.obrasonline.com

Se recurre a la cimentación por pilotaje cuando no existe firme a una profundidad alcanzable mediante zapatas o pozos, normalmente más de 5 m. Los pilotes reducen los asientos de la estructura, cuando la permeabilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecución de cimentaciones superficiales, existen cargas muy fuertes o concentradas o bien se pretende evitar la influencia sobre cimentaciones adyacentes.

Figura 4. Sistema Omega de ejecución de pilotes. Imagen: W. Van Impe (http://scon.persianblog.ir/post/121/)

Referencia:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Concepto y clasificación de las cimentaciones

Figura 1. Cargas sobre un cimiento superficial (Yepes, 2016)

La cimentación de una estructura es aquello que la sustenta sobre el terreno. Generalmente está enterrada y transmite al terreno su propio peso y las cargas recibidas, de modo que la estructura que soporta sea estable, la presión transmitida sea menor a la admisible y los asientos se encuentren limitados (ver Figura 1). La cimentación consta de dos partes, el elemento estructural encargado de transmitir las cargas al terreno, o cimiento, y la zona del terreno afectada por dichas cargas, o terreno de cimentación. La cimentación debe resistir las cargas y sujeta la estructura frente a acciones horizontales como el viento y el sismo, conservando su integridad. La interacción entre el suelo y la estructura depende de la naturaleza del propio suelo, de la forma y tamaño de la cimentación y de la flexibilidad de la estructura.

Las cimentaciones se diseñan para no alcanzar los estados límites últimos o de servicio. Los primeros llevan a la situación de ruina (estabilidad global, hundimiento, deslizamiento, vuelco o rotura del elemento estructural), mientras que los segundos limitan su capacidad funcional, estética, etc. (por ejemplo, movimientos excesivos). Se denomina capacidad portante a la máxima presión que transmite una cimentación sin alcanzar el estado último, mientras la presión admisible es aquella que no se alcanza en ningún estado límite, ya sea último o de servicio, presentando un coeficiente de seguridad respecto a la capacidad portante.

Otros problemas a considerar son la estabilidad de la excavación, los problemas de ataques químicos al hormigón, la posibilidad de heladas, el crecimiento de vegetación que deteriore la cimentación, los agrietamientos y levantamientos asociados a las arcillas expansivas, la disolución cárstica, la socavación, los movimientos del nivel freático, los daños producidos a construcciones existentes (Figura 2) o futuras, las vibraciones de maquinaria o los efectos sísmicos sobre el terreno, especialmente cuando existe posibilidad de licuación.

Los procedimientos constructivos influyen notablemente en el comportamiento de una cimentación. Hay que tener en cuenta que la construcción de la cimentación altera el terreno circundante, lo cual puede modificar algunas de las hipótesis de cálculo. A modo de ejemplo, los pilotes perforados descomprimen el terreno influyendo en la resistencia por fuste. La hinca de pilotes en limos y arenas sueltas saturadas aumenta la presión intersticial, lo que disminuye temporalmente la capacidad del pilote e incluso causar la licuación del terreno.

Figura 2. Descalce de una cimentación vecina durante la excavación. Imagen: E. Valiente

La cimentación puede clasificarse atendiendo a la profundidad a la que se realiza (ver Figura 3). Así, si llamamos D a la profundidad a la que se encuentra el contacto entre la cimentación y el terreno y B la dimensión menor de la cimentación, éstas se pueden clasificar en:

  • Cimentación superficial o directa:

D/B < 4

D < 3 m

  • Cimentación semiprofunda o pozos:

4 ≤ D/B ≤ 8

3 m ≤ D ≤ 6 m

  • Cimentación profunda o pilotaje:

D/B > 8

D > 6 m

Figura 3. Clasificación de las cimentaciones en función de la profundidad de apoyo (Yepes, 2016)

Existen distintos tipos de cimentaciones superficiales, tal y como se aprecia en la Figura 4.

Figura 4. Algunos tipos de cimentaciones superficiales. Imagen elaborada a partir de: http://www.generadordeprecios.info/

En la Tabla 1 se ha asignado a cada cimiento directo el tipo de elemento estructural al que sirve de cimentación.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo donde se recoge todo lo anteriormente expuesto. Espero que os sea útil.

También podéis ver este vídeo de José Ramón Ruíz, de la UPV:

Referencia:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Fluidos bentoníticos como estabilizador de excavaciones

Central de tratamiento de lodos. Imagen de Catalana de Perforacions

La bentonita es el nombre con el que se denominan a ciertos tipos de arcillas que poseen propiedades tixotrópicas cuando se mezclan con el agua. Debe su nombre a su descubrimiento cerca de Fort Benton, en los Estados Unidos en el siglo XIX. Las bentonitas comerciales son silicatos de aluminio hidratados y contienen fundamentalmente el mineral montmorillonita. El nombre de este tipo de arcilla se debe a su descubrimiento en cerca de Montmorillon, en Francia. Hoy día se utilizan distintas clases de bentonita tanto en ingeniería civil como en edificación, pudiendo variar sensiblemente sus propiedades en función de su origen.

Uno de los usos más frecuentes de la bentonita es como fluido estabilizador de excavaciones, donde compite con los fluidos a base de polímeros, fundamentalmente en la ejecución de pilotes. 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. En esta aplicación el fluido bentonítico debe se capaz de formar una barrera o bizcocho (cake) en las paredes de la excavación a fin de impedir la pérdida de fluido en el terreno, creando una capa contra la que puede actuar la presión del fluido para contrarrestar las presiones externas del terreno o las aguas freáticas. Otro uso habitual, del cual ya hemos hablado en una entrada anterior, es como fluido de perforación en la Perforación Horizontal Dirigida. También se usa la bentonita en la creación de barreras húmedas en el terreno para contener el agua de zonas contaminadas. Son las pantallas plásticas (Cutter Soil Mixing). En esta aplicación se suele mezclar con cemento u otros materiales a fin de crear un slurry que permanece en estado fluido durante varias horas antes de adquirir mayor consistencia y funcionar como barrera. En ciertas ocasiones se suele introducir una membrana flexible en la barrera. Por último, los fluidos bentoníticos también se utilizan para la contención del frente de excavación en túneles, delate de las tuneladoras y para el transporte de los restos excavados hacia las unidades desarenadoras situadas en la parte posterior del convoy.

Sin embargo, las propiedades de las bentonitas varían y, por tanto, no todas sirven para todos los usos. Por ejemplo, la propiedad de resistencia del estado de gel es importante si el fluido bentonítico esta en reposo y debe ser capaz de contener sólidos en suspensión, y no es por el contrario importante si el fluido es agitado continuamente en un sistema con recirculación. Las propiedades de las bentonitas deben considerarse antes de usar un tipo determinado para una aplicación específica. Independientemente de estas variaciones en cuanto a sus característica, las bentonitas deben cumplir los siguientes requisitos y funciones:

    1. Mantener los frentes de la excavación aportando presión hidrostática a las paredes de la misma.
    2. Mantenerse dentro de la excavación sin fluir hacia el suelo colindante.
    3. Mantener en suspensión los detritus procedentes de la excavación.
    4. Permitir ser desplazados con facilidad y limpiamente por el hormigón, sin una afección significativa a la adherencia armadura-hormigón.
    5. Debe ser posible su limpieza de sólidos en suspensión mediante el bombeo y paso por desarenadoras para su reutilización posterior.
    6. Ser bombeables con facilidad.

En general, las tres primeras propiedades requieren un producto denso y las tres últimas un producto muy fluido. Hay por tanto un conflicto que debe ser resuelto en cada caso antes de la puesta en obra del fluido estabilizador.

En el vídeo que sigue se puede observar la elaboración de bentonita para su uso en un muro pantalla.

En este otro, podéis ver su uso en un pilote.

En el vídeo que os dejo a continuación se profundiza en el uso de los lodos como fluido de perforación. Espero que os sea de utilidad.

Referencias:

 

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