PRIMERAS EXPERIENCIAS CON ENSAYOS RÁPIDOS DE CARGA SOBRE PILOTES EN AMÉRICA DEL SUR

Transcripción

1 PRIMERAS EXPERIENCIAS CON ENSAYOS RÁPIDOS DE CARGA SOBRE PILOTES EN AMÉRICA DEL SUR H. Goldemberg 1 & J.J. Goldemberg RESUMEN: El siguiente trabajo tiene por objeto presentar los resultados de las primeras experiencias llevadas a cabo en América del Sur para la medición de la performance en el comportamiento de la interacción suelo-pilote, mediante la metodología del Ensayo Rápido de Carga. Dichos monitoreos vienen siendo utilizados con gran éxito en todo el mundo permitiendo el diseño fundaciones profundas de manera más racional. Los resultados aquí presentados, para distintos tipos de pilotes y suelos, permiten demostrar que la componente de resistencia friccional es superior a la predecida. INTRODUCCION Durante el año 000 se introdujo en América Latina la tecnología de los Ensayos Rápidos de Carga, opción Statnamic (RLT-STN) en pilotes y estructuras de fundación; la misma fue desarrollada en la década de los 0 y cuenta con gran aceptación en todo el mundo. En el curso de estos dos últimos años fue aceptado por la industria de la construcción argentina como un método sustituto para los Ensayos Estáticos de Carga (SLT), en virtud de sus cualidades técnicas y costos asociados, siendo empleado en distintos tipos de obras, como las de edificios de viviendas, viales y portuarias. A continuación se describe, sintéticamente, el principio de acción de dicha tecnología; se presentan los resultados de ensayos efectuados en tres obras de diferente característica y se demuestra la economía de obra resultante como consecuencia de poder medir la real interacción suelo-pilote. En los dos primeros ejemplos presentados, el análisis de los resultados obtenidos fue realizado mediante el Método del Punto de Descarga (Unloading Point Method) mientras que, en el último caso, se utilizó el Método del Punto de Descarga Segmentado (Segmental Unloading Point Method), por cuanto el pilote fue instrumentado para poder medir en forma discriminada la resistencia por fuste y por punta de la fundación. PRINCIPIO DE ACCION Durante un ensayo Rápido de Carga (RLT) - o también llamado Statnamic en América del Norte y Europa - se posiciona el equipo sobre la cabeza del pilote o cabezal a ensayar y se quema combustible sólido (a base de celulosa) dentro de un conjunto cilindro-pistón. Los gases inocuos producidos por la combustión son retenidos dentro del cilindro, incrementando así la presión interna en éste. A medida que la presión aumenta, la fuerza vertical ascendente - así generada -, es aplicada contra un sistema de masas de reacción unido al cilindro. Por el principio de acción y reacción, una fuerza de igual magnitud y sentido contrario induce a que la fundación movilice su resistencia de fuste y punta. La fuerza aplicada va aumentando su intensidad la cual es medida mediante una celda de carga instalada sobre la cabeza del pilote - hasta llegar a la carga máxima de ensayo, momento en el cual los gases son liberados a través de las válvulas de escape - proceso de descarga - mientras el hundimiento es medido continuamente por un sensor activado por rayo láser (Figura 1). De esta manera, los parámetros de un ensayo de carga (carga, hundimiento y tiempo) son monitoreados durante todo su desarrollo. - F STN Masas reacción de Celda de carga Combustión Láser + F STN Pilote Figura 1. Principio de acción del equipo

2 CASO I: PUENTE El Puente sobre el Arroyo Saladillo 1 está ubicado en la Provincia de Santa Fé (Argentina) sobre la Calle Colectora izquierda de la RN 1 a la salida de la ciudad de Santa Fé en dirección a Paraná. Dicho puente consta de dos luces con vigas premoldeadas de hormigón armado tesado, apoyadas en la pila intermedia y en sendos estribos; dichos apoyos son del tipo pilote-columna, contando con una única calzada de dos carriles de sentido contrario. El Comitente es la Unidad Ejecutora Provincial, dependiente del Ministerio de Hacienda de la Provincia. El perfil estratigráfico está constituido por un primer manto de m de espesor de arenas medianamente densas y granulometría fina a mediana (SP-SM), seguido de m de arcillas arenosas blandas (CL). A continuación, se detectó un estrato de m de espesor formado por arenas limosas sueltas a medianamente densas (SP-SM) para concluir, en el tramo final de la perforación, con arenas finas medianamente densas a muy densas de similares características a las anteriores. En correspondencia con el sondeo P1, utilizado para el análisis del Ensayo Rápido de Carga (RLT) por encontrarse más próximo al pilote en cuestión, el nivel freático fue detectado en la cota El proyecto incluye fundaciones profundas mediante pilotes de H A del tipo de sustitución, excavados y hormigonados in situ bajo lodo bentonítico, diámetros nominales 0mm y 1500mm con longitudes del orden de 3m, instalados desde tierra firme. Todos los pilotes de la obra fueron proyectados y construidos con celda de precarga en la punta, a efecto de ser inyectadas con mortero a posteriori" de su homigonado. Los pilotes correspondientes a la obra fueron instalados mediante la perforación con balde y sistema de barras kelly montados en una grúa Link Belt. El Pliego de Condiciones establecía que debía llevarse a cabo un Ensayo de Carga sobre uno de los pilotes de la obra por cualquiera de los métodos existentes con el carácter de Ensayo de Recepción. El pilote ensayado fue el N P1 correspondiente al estribo oeste. El mismo tiene diámetro nominal 1500mm y longitud 19m, medida mediante el Ensayo de Integridad Sónico SIT. Durante el Ensayo Rápido de Carga se midieron, entre otros, los siguientes parámetros: tiempo, carga aplicada, aceleración y velocidad del sistema y hundimientos experimentados (Figuras, 3 y ) Carga Figura. Gráfico Carga vs. Tiempo Figura 3. Gráfico vs. Tiempo Carga Curva estática Curva con láser Figura. Gráficos Carga vs.

3 La siguiente tabla resume los resultados del Ensayo Rápido de Carga. Pilote N Carga de servicio Carga Statnamic Carga Estática remanente Carga de falla según Davisson P >.0 Tabla 1. Datos comparativos entre la carga de servicio y la aplicada durante el RLT. Dichos resultados evidencian el sobredimencionamiento de las fundaciones, lo cual sólo puede ser medido a través de un ensayo de carga. En base a la información geotécnica obtenida se concluye que las dimensiones de los pilotes surgen de la subevaluación de los parámetros de resistencia friccional, situación muy común cuando éstos son determinados a partir de ensayos de laboratorio sobre muestras obtenidas mediante sacatestigo durante el ensayo SPT. Cabe aclarar que, en este caso particular, los hundimientos medidos son mayores que los que deberían haberse producido ya que el Contratista omitió inyectar antes del ensayo -. la celda de precarga con que contaba el pilote. Esto concluye que, de haber estado correctamente construído, el pilote hubiese sufrido un hundimiento menor y, por ende, la fundación tendría un coeficiente de seguridad mayor; correspondientemente, se podría haber obtenido alguna economía en el costo de las fundaciones para la eventualidad que el Comitente hubiera dispuesto la ejecución del Ensayo de Carga sobre un pilote-prototipo llevado a condiciones de rotura, tal como se indica en el Caso III. CASO II: EDIFICIOS DE VIVIENDAS La obra consiste en dos edificios de 1 y 9 plantas cada uno ubicados en Albariño 1 y 91 respectivamente, en el barrio de Villa Luro, ciudad de Buenos Aires (Argentina), siendo el Comitente la Comisión Municipal de la Vivienda de dicha ciudad. El perfil estratigráfico está constituido por un primer manto de arcillas de alta plasticidad (CH) cuyo espesor es del orden de m y reducida resistencia a la penetración (valores N) correspondiente a suelos medianamente compactos (<N<) seguido por una capa de suelos limosos de mediana a baja plasticidad (ML), compactos (<N<15), hasta cerca de los 5/m de profundidad; a partir de éstas profundidades los suelos se presentan como duros (30<N<50) y muy duros (N>50) hasta el final de la máxima profundidad (13m) indicada en los Informes Geotécnicos proporcionados por el Cliente. A efectos del análisis de los resultados obtenidos en el Ensayo Rápido de Carga, método Statnamic (RLT-STN), realizado sobre el pilote de ensayo se utilizaron los resultados del sondeo P por encontrarse más próximo al mismo. El nivel estático del agua fue ubicado a 7m de profundidad. El proyecto incluye fundaciones profundas mediante pilotes de H A del tipo de sustitución, excavados y hormigonados in situ, diámetros nominales 00/0 y 100mm con longitudes efectivas del orden dem, instalados desde el nivel actual del terreno. El pilote ensayado fue el N P1 correspondiente al edificio de Albariño 1. El mismo tiene diámetro nominal 00mm y longitud.5m, medida mediante el Ensayo de Integridad Sónico SIT. Las mediciones efectuadas están representadas en los siguientes gráficos (Figuras 5, y 7) y los resultados del ensayo resumidos en la Tabla. 0.0 Carga Figura 5. Gráfico Carga vs. Tiempo Figura. Gráfico vs. Tiempo

4 Carga Curva estática Curva con láser.0 Figura 7. Gráficos Carga vs. Pilote N Carga de servicio Carga Statnamic Carga Estática remanente Carga de falla según Davisson P >7.0 Tabla. Datos comparativos entre la carga de servicio y la aplicada durante el RLT. La carga Statnamic máxima aplicada al pilote N P1 fue de 3.03MN y su correspondiente hundimiento máximo fue de 1.70mm, para luego restituirse el mismo hasta un hundimiento remanente de 0.7mm; la curva Carga vs., medida con el sensor láser, incluye las componentes de inercia y de amortiguamiento. Asimismo, en dicho gráfico, se muestra la curva estática, representativa de la interacción suelo-pilote al ser el sistema sometido a carga. El hundimiento máximo ocurre durante la rama de descarga de la curva Carga vs., en correspondencia con una carga de.95mn, tal como era de esperar debido al efecto de inercia. Cabe destacar la forma de la curva, en la cual la rama de carga y de descarga son prácticamente coincidentes, demostrando la elasticidad del sistema suelo-pilote y por consiguiente, el sobredimensionamiento de la fundación. Analizando la curva Carga vs. mediante el Método de Davisson, se concluye que la carga de rotura es superior a nueve veces la carga de servicio, por consiguiente la fundación está sobredimensionada (FS>9). Cabe consignar que el Pliego de Condiciones establecía que debía llevarse a cabo un Ensayo de Carga sobre uno de los pilotes de la obra por cualquiera de los métodos existentes con el carácter de Ensayo de Recepción. En este caso resulta notable la falta de optimización del proyecto como consecuencia de haber utilizado información geotécnica altamente conservativa. A la luz de los resultados obtenidos en el Ensayo de Carga y analizando la fundación de la obra mediante el procedimiento del back analysis se concluye que podría haberse logrado una economía expresada en volumen de excavación - superior al 5%. CASO III: MUELLE El objetivo de esta investigación fue la optimización del diseño de la fundación, mediante la medición, discriminada, de la resistencia de punta y de la fricción lateral, así como la distribución de cargas a lo largo del pilote. Para ello se decidió ensayar un pilote que fue instrumentado en su fuste mediante sensores de deformación unitaria (strain gauges). El Muelle Multipropósito a construirse en el Sitio 1 del Puerto de Ingeniero White, Provincia de Buenos Aires (Argentina) consta de una longitud de 70m de superficie de trabajo soportada por pórticos equidistantes a 9.9m y fundado sobre pilotes de hormigón armado, excavados y hormigonados in-situ. El Comitente de la obra es el Consorcio de Gestión del Puerto de Bahía Blanca. La estratigrafía representada por la perforación S1 está integrada por un relleno de tosca de.70m de espesor compactado con una cota superior de +5.30m con referencia al cero local. A continuación se tiene, hasta la profundidad de 1.50m: arcilla gris blanda hasta.50m seguida por sedimentos arcillosos con intercalaciones lenticulares de arena gris suelta. Desde 1.50m hasta 1.00m: arena gris medianamente densa a densa. Desde 1.00m hasta.0m: arena limosa y limo arenoso marrón claro, con finos calcáreos denso a duro, con intercalaciones cementadas. Desde.0m a.70m: arcilla marrón rojiza muy compacta a dura. Desde.70m a 30.00m - final de la investigación - limo arenoso marrón claro, duro, con intercalaciones cementadas.

5 El proyecto incluía fundaciones profundas mediante pilotes de H A del tipo de sustitución, excavados y hormigonados in situ bajo lodo bentonítico, con camisa metálica perdida, longitudes aproximadas de 30m y diámetros de 100mm y 100mm, instalados desde tierra firme y desde agua. A efectos de optimizar el diseño de las fundaciones consideradas sobredimensionadas se convino con la empresa contratista y con el Comitente llevar a cabo un Ensayo Rápido de Carga (RLT) instrumentado sobre un pilote prototipo a ser instalado antes del comienzo de la construcción de los pilotes de obra. El pilote de ensayo, denominado PRUEBA fue instalado en tierra mediante la perforación con balde y sistema de barras kelly ; el fondo de la perforación fue limpiado con el sistema de air lift. Las dimensiones de dicho pilote de ensayo fueron: 00mm de diámetro y 31m de longitud. La adopción del diámetro del pilote prototipo se debió a que el objetivo era llevar el sistema a rotura y sólo se disponía de un equipo de MN de carga máxima. A efecto de poder correlacionar los resultados del ensayo RLT con los valores teóricos de los pilotes proyectados, se decidió su instrumentación para la medición de la resistencia friccional y la determinación de la carga transmitida a la punta del pilote. Dicho pilote de ensayo fue instrumentado a lo largo del fuste mediante sensores de deformación - strain gauges - montados sobre barras gemelas o sister-bars, los que fueron provistos por AFT Applied Foundation Testing Inc. (USA); dichos strain gauges son del tipo resistivo y confeccionados sobre la base del Puente de Wheatstone.. 00mm Camisa metálica SPT 1.0m m 7.1m Strain gauge montado en barra gemela Relleno CL 7.5m CL 31m.3m SM.0m CL 1.9m ML Figura. Ubicación de los sensores y perfil geotécnico 0 Carga Figura 9. Gráfico Carga vs. Tiempo Figura. Gráficos Distribución de vs.

6 Fricción unitaria (kpa) Carga Seg. 1+ Seg. 3 Seg Curva estática Curva con láser Figura 11. Gráfico Distribución de Fricción vs. Figura 1. Gráfico Cargas vs. Estos fueron dispuestos de a pares a efecto de poseer redundancia de datos en 5 niveles de instrumentación, haciendo un total de sensores embebidos en el hormigón (ver Figura.) conforme a la estratigrafía de la zona Los resultados de la investigación están resumidos en la Tabla 3. Pilote N Carga Statnamic Carga Estática remanente PRUEBA Tabla 3. Cuadro resumen del Ensayo RLT. La distribución de la fricción unitaria conforme a la profundidad (ver Figura 11) y el llevar el ensayo de carga a rotura (ver Figura 1) son la información necesaria para poder ajustar el diseño de la fundación, obteniéndose así un proyecto sustancialmente más económico. Como resultado del Ensayo Rápido de Carga se pudieron optimizar los diámetros de los pilotes, reduciéndolos desde 1700mm a 100mm.; ésto trajo aparejado, no sólo una reducción en el volumen de hormigón, sino también en el tiempo necesario para la construcción de los pilotes de producción. La reducción de volumen lograda supera el 3%. En un análisis detallado del comportamiento de los hundimientos registrados por el sensor láser y los acelerómetros ubicados en la cabeza del pilote, se concluyó que los mismos son excesivos para el tipo de suelo existente y para las cargas aplicadas. Esto se pudo deber a: (a) el fondo de la excavación no estaba bien limpio, es decir que poseía detritos de perforación que no fueron removidos por el balde de perforación o que, al bajar la armadura, ésta golpeó contra las paredes de la misma produciendo un desmoronamiento (b) eventual existencia de estratos compresibles por debajo de la punta del pilote. Debe tenerse en cuenta que la Investigación Geotécnica se realizó hasta la profundidad de 30mbbp. Como corolario se deduce la importancia de la adecuada limpieza del fondo de las excavaciones, tema no siempre adecuadamente supervisado y controlado en las obras, y lo indispensable de una correcta planificación y ejecución de una campaña de Investigación Geotécnica, donde las exploraciones deben extenderse más allá de la cota de fundación hasta profundidades que no sean influenciadas por el bulbo de presiones transmitidas. CONCLUSIONES En base a la experiencia obtenida en varias obras de distinta característica, así como tipo de fundación y características geotécnicas, el Ensayo Rápido de Carga (RLT) es una útil herramienta para el Ingeniero. El ensayo RLT permite al: Proyectista: verificar que las hipótesis de diseño concuerdan con el real comportamiento de la fundación, y por consiguiente obtener el coeficiente de seguridad Ingeniero Geotécnico: medir la componente de fricción lateral, que generalmente está subestimada al momento del diseño del pilote Contratista: obtener un servicio sustituto más conveniente por costos y tiempos que el Ensayo Estático de Carga (SLT) Propietario: tener la certeza que su inversión está bien sustentada por una fundación apta.

7 REFERENCIAS 1. Institution of Civil Engineers. Creating value in Egineering, Design and practice guide. Thomas Telford, London, Institution of Civil Engineers. The Value of Geotechnics in Construction. Construction Research Communications, London, Fleming, W.G.K., Weltman, A.J., Randolph, M.F. and Elson, W.K. Piling Engineering. Surrey University Press/Blackie and Son Ltd., London, Bermingham, P., and Janes, M An innovative approach to load testing of high capacity piles, Proceedings of the International Conference on Piling and Deep Foundations, London, May 15-1, Middendorp, P., and Reiding, F.J., Statnamic: A cost effective alternative for test loading of piles and caissons, Proceedings of the 9 th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Foundations Enginnering, Bangkok, Thailand, December 9-13, Bermingham, P., Kuiper, B. and Middendorp, P., 199. Statnamic load testing of foundation piles, Proceedings of the th International Conference on the Application of Stress Wave Theory to Piles, The Hague, The Netherlands. 7. Matsumoto, T., Tsuzuki, M, and Michi, Y., 199. Comparative study of static loading test and Statnamic on a steel pipe pile driven in soft rock. Proceedings of the 5 th DFI International Conference, Bruges, Belgium, June 13-15, Fellenius, B., Consaguinity of failure evaluation in the static loading test and its relationship to other types of tests, Proceedings of the 1 st International Statnamic Seminar, Vancouver, Canada. 9. Kusakabe, O., Matsumoto, T., Nishimura, S., Ochiai, N., Sumi, K., 199, Statnamic test on off-shore piles for foundation of access bridge for new Kita-Kyushu Airport. Proceedings of the 5 th International Conference on the Application of Stress Wave Theory to Piles, Orlando. USA.. Poulous, H.G., 199, Pile testing- from the designer s viewpoint, Proceedings of the nd International Statnamic Seminar, Tokyo, Japan. 11. Mullins, G., 1999, Statnamic Testing. Proceedings of the Deep Foundations Institute. th Annual Members Conference, Michigan, USA. 1. Goldemberg, H. & Goldemberg, J.J., 1999, Ensayo Statnamic: una opción. Memorias del XI Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Foz de Iguazú, Brasil. 13. Goldemberg, H. & Goldemberg, J.J., 000, Ensayo Statnamic de carga, Memorias del XV Congreso Argentino de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Buenos Aires, Argentina.