CAPITULO III: DISEÑO DE PILOTES DE CONCRETO APLICADOS EN EL AMSS, SAN MIGUEL Y LA UNION.

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1 CAPITULO III: DISEÑO DE PILOTES DE CONCRETO APLICADOS EN EL AMSS, SAN MIGUEL Y LA UNION. 3.1 INTRODUCCIÓN La secuencia lógica que permite obtener la calidad requerida en forma eficiente para construir pilotes de concreto, tanto en tiempo como en economía, es aquella que se lleva a cabo ordenada y oportunamente sin eliminar ninguna de las siguientes actividades: 3.2 ESTUDIOS GEOTÉCNICOS La exploración del subsuelo en el que se pretende construir una estructura debe realizarse antes de continuar con el desarrollo del proyecto, ya que de los resultados obtenidos y la interpretación de las características y comportamiento del suelo, dependerán las decisiones que se tomen para la realización del diseño geotécnico y estructural, así como para la determinación del procedimiento constructivo. Un estudio geotécnico deficiente provocará que las actividades siguientes no se desarrollen adecuadamente, generando modificaciones durante la construcción, las cuales estarán en función de la inexactitud de la información obtenida Objetivos y etapas de la exploración geotécnica Objetivos El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre las condiciones estratigráficas del sitio en estudio, las condiciones de presión del agua del subsuelo y las propiedades mecánicas de los suelos (resistencia, 32

2 compresibilidad y permeabilidad), a fin de facilitar el diseño racional de la cimentación de estructuras y la selección del método constructivo adecuado para su ejecución (Ver esquema 3.1). Para asegurar que se alcanzarán los objetivos de la exploración geotécnica, los trabajos de campo los supervisará un ingeniero especialista en suelos y su realización estará a cargo de una brigada de trabajadores entrenados en los trabajos de perforación, muestreo y ejecución de pruebas de campo. 33

3 CAPITULO III Etapas de la exploración geotécnica El programa de exploración geotécnica del sitio donde se construirá una estructura consta de tres etapas: Investigación preliminar Recopilación de la información disponible Investigación de detalle Investigación Preliminar Objetivos El objetivo de esta etapa de exploración es el recopilar la información geotécnica que exista de un sitio, para realizar una interpretación preliminar de los problemas que podrían presentarse en la cimentación de una estructura de características y requerimientos conocidos. Tipos de suelos y sus características en el Área Metropolitana de San Salvador (AMSS), San Miguel y La Unión. El Área Metropolitana de San Salvador, está ubicada dentro del graben que atraviesa la República en dirección O NO y en las faldas orientales del volcán de San Salvador. Extendiéndose sobre una superficie relativamente plana, erosionada entre 650 y 850 msnm. La parte Este presenta una superficie plana, cortada por muchos surcos erosivos y ríos, que originan fuertes y profundos taludes en los cauces. En el Sur esta bordeada por la montaña costera (Altura hasta de 1100 msnm) y el Cerro de San Jacinto (1154 msnm) hacia el Oeste el Volcán de San Salvador 34

4 (1967 msnm), en el Este por el Lago de Ilopango (450 msnm), y al Norte por el Cerro de Mariona (798 msnm) Las diferencias de altura son relativamente altas, entre 1,967 msnm para el Picacho y el lecho de valle del Río Acelhuate, cerca de 400 msnm. Estos son los extremos, pero la mayoría del área poblada está ubicada 500 y 800 msnm que es un nivel común de la depresión salvadoreña y sus planicies. El Área Metropolitana de San Salvador está constituida básicamente de cenizas volcánicas, productos piroplásticos depositados de erupciones sucesivas violentas de los volcanes de Ilopango y Boquerón. En estos depósitos predominan la pómez, que es un silicato de aluminio y hierro generalmente acido, de reducida densidad como espuma solidificada cuyos huecos y tubos intercomunicados de variedad fibrosa se originaron debido al gran desprendimiento de gases en su formación. La forma de los granos de suelo predominante, es equidimensional y su textura es rugosa, la distribución granulométrica varia, pero básicamente se puede clasificar como un limo arenoso (ML) o una arena limosa (SM); y se encuentran mayormente en la zona central de San Salvador. Dentro de las características de estos suelos tenemos las siguientes: resistencia en estado seco desde muy pequeña hasta regular, bajo el limite liquido y alto índice de plasticidad, entre regular y pobre para fundaciones, malo para el desgaste aun con tratamiento bituminoso, casi nada de encogimiento (elasticidad), bastante fácil de compactar con equipo; tiene un peso volumétrico aproximado a 100 y la relación de vacios es más o menos 0.70 y el California Bearing Rattio (C.B.R) oscila entre 6 a 25. Para San Salvador corresponden en su mayoría los siguientes tipos de suelos: arena limosa, limos arenosos, limos arcillosos y suelos altamente contaminados de materia orgánica. 35

5 CAPITULO III No obstante, los suelos de características friccionantes predominantes en el área son desde el punto de vista petrológicos, cenizas volcánicas de edad reciente producto del marcado volcanismo explosivo del área. En cuanto a los suelos arcillosos se han formado como consecuencias del arrastre de las zonas altas del volcán de San Salvador donde la meteorización es mayor como producto de la condición climática 8. Los departamentos de San Miguel y La Unión, están ubicados en el oriente del país. Según los mapas geológicos de El Salvador, al Oeste de la ciudad de San Miguel, esta conformada por rocas del tipo volcánico, piroclásticas, tobas fundidas y no fundidas, en la zona Este de la ciudad se encuentra conformada por sedimentos recientes, como aluviales, pie de monte y fluviales. En el Área Metropolitana de San Miguel, predomina el material arcilloso combinado con limos, pómez y arenas a profundidades variables Recopilación de la información disponible En El Salvador existen las siguientes instituciones donde puede encontrarse información sobre las condiciones geotécnicas del suelo: Servicio Nacional de Estudios Territoriales (SNET), Centro Nacional de Registros (CNR), Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG). Y para el AMSS La Oficina de Planificación para el Área Metropolitana de San Salvador (OPAMSS) 8 Fuente: Campos Mauricio Arturo Estudio de Clasificación Preliminar del suelo de la republica de El Salvador. Tesis. Universidad de El Salvador, Fuente: Mapa Geológico de El Salvador. 36

6 CAPITULO III Interpretación de fotografías aéreas La interpretación geológica de las fotografías aéreas de un sitio, realizada por un ingeniero geólogo capacitado para ello, permite identificar de manera preliminar las características geológicas del sitio, tales como fallas, fracturas y los fenómenos geodinámicos relacionados con zonas de taludes inestables y zonas erosionables. Con respecto a los suelos, se pueden identificar las características probables de los suelos superficiales e inferir en las del subsuelo así como definir posibles bancos de préstamo Recorrido de campo El recorrido de campo lo debe realizar un ingeniero especialista en geotecnia, acompañado de un ingeniero geólogo; los objetivos serán: Comprobar la interpretación foto geológica antes descrita, además de identificar y clasificar los suelos superficiales. Visitar las estructuras construidas en la zona e indagar sobre su comportamiento. Obtener información adicional que permita programar la investigación de detalle. Topografía general del sitio. Estratificación del suelo, observada en los cortes profundos: carreteras, vías férreas, etc. Tipo de vegetación del sitio, indica la naturaleza del suelo. Altura de las aguas máximas, especialmente en el caso de puentes y bóvedas. Nivel de agua subterránea (observación en pozos próximos al lugar). Tipo de construcción en la vecindad (agrietamientos en paredes, tipo de cimentación, etc.) 37

7 3.2.3 Investigación Geotécnica de Detalle Programa El ingeniero especialista en geotecnia deberá formular el programa de la investigación de detalle, para lo cual deberá considerar la aplicación de las técnicas que se mencionan más adelante y fundamentar su propuesta en la información de la investigación preliminar. Debe además tomar muy en cuenta que tratándose de cimentaciones con pilotes, las propiedades de los suelos se modifican en la vecindad del elemento, aunque se trate de un procedimiento constructivo de no desplazamiento, como el de colado en el lugar, y que en el caso de pilotes que desplazan el volumen de suelo que ocupan, se induce mayor alteración y cambios estructurales al suelo vecino aún a varios diámetros de distancia Levantamiento geológico Excepcionalmente se realiza este tipo de levantamiento, ya que usualmente la geología de la región donde se construirá la estructura ha sido estudiada anteriormente o se considera que el recorrido de campo en la etapa de investigación preliminar proporciona la información geológica necesaria y suficiente para el diseño de la cimentación (profunda) de una estructura. En caso de que se trate de la cimentación de estructuras muy importantes o de desarrollos industriales localizados en áreas poco estudiadas, se justifica realizar el levantamiento geológico de la zona. 38

8 Exploración geofísica Los métodos de exploración geofísica aplicables en geotecnia se basan en la medición de la variación de la velocidad de propagación de ondas sísmicas o de la resistividad eléctrica (poco confiable) de los suelos, y mediante su interpretación y correlaciones se deducen las características estratigráficas, posición del nivel freático, posibles tipos y propiedades de suelos y rocas. Estos métodos se utilizan para obtener información preliminar del subsuelo, para complementar la información geológica y reducir el número de sondeos. En nuestro país, el uso más generalizado en la exploración geotécnica es el método de resistividad eléctrica y el arreglo más común es el de Wenner el cual consiste en utilizar cuatro electrodos hincados en el suelo y espaciados uniformemente a lo largo de una línea recta. Los dos electrodos exteriores se usan para enviar una corriente eléctrica I (generalmente una corriente directa con electrodos de potencial no polarizantes) al terreno. La corriente eléctrica varía entre 50 y 100 miliamperios. La caída de voltaje, V, se mide entre los dos electrodos interiores. Método de cross hole El principio de este procedimiento se ilustra en la figura 3.1c 10 que muestra dos agujeros perforados en el terreno a una distancia L entre sí. Se genera un impulso vertical en el fondo de un barreno por medio de una barra de impulso. Las ondas cortantes así generadas se registran por medio de transductor verticalmente sensible. La tabla 3.1 muestra los diferentes métodos que conforman la exploración geofísica. 10 Fuente: Gonzáles de Vallejo, Luís I. Ingeniería Geológica,

9 Tabla 3.1 Métodos de exploración geofísica 11 Método Descripción Resultados Esperados Refracción sísmica total Resistividad eléctrica Radar Cross Hole Consiste en determinar el tiempo de arribo de las ondas longitudinales sísmicas, generadas por una pequeña explosión o impacto, a geófonos captadores que envían su señal a un sismógrafo receptor; con esta información se calcula la velocidad de propagación de las ondas. Consiste en determinar la variación con la profundidad de las resistividades aparentes de un medio en que se ha inducido un campo eléctrico. El equipo consiste en una fuente de poder, voltímetro, amperímetro y cuatro electrodos. Ver figura 3.1a Este método esta basado en la propagación de impulsos de ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia (100 a 1000MHZ) hacia el interior del suelo: estas hondas son reflejadas por anomalías del subsuelo (irregularidades, interfaces o discontinuidades) a diferentes profundidades que después se captan por medio de una antena en la superficie del suelo. Consiste en determinar la velocidad de las ondas de cortante creadas como resultado de un impacto a un estrato del suelo dado. Ver figura 3.1b Interpretar la estratigrafía del sitio Clasificar los suelos y rocas Estimar el módulo elástico dinámico del medio Nota: La interpretación de esta prueba siempre debe correlacionarse con la información de sondeos convencionales con extracción de muestras, porque tiene la limitante de no detectar la presencia de estratos blandos que subyacen a otros duros, debido a las condiciones de refracción que se desarrollan. Definir la estratigrafía. Por correlación, clasificar los suelos y rocas del sitio. Definir la posición del nivel freático. Nota: La precisión de este método para predecir la estratigrafía de un sitio es generalmente menor que la de refracción sísmica y por ello se utiliza menos, sin embargo es más confiable para determinar la posición del nivel freático. El sistema de monitoreo permite conocer la profundidad de la anomalía. La profundidad máxima de exploración no sobrepasa los 30 mt (98ft). Obtener los valores del modulo de cortante para el diseño de cimentaciones que soportan maquinaria vibratoria y aspectos similares. 11 Fuente: Manual de Cimentaciones Profundas,

10 Figura3.1a: Medidas de las resistividades del suelo. Figura 3.1b: Velocidades de propagación de ondas P y S en un ensayo de cross hole Figura 3.1c: Método de sondeo sísmico cross hole La tabla 3.2 muestra las diferentes resistividades de acuerdo al material con que está compuesto el suelo. 41

11 Tabla 3.2: Valores representativos de la resistividad 12 Material Resistividad (ohm m) Arenas Arcillas, limo saturado Arena arcillosa Grava Roca intemperizada Roca sana > Exploración, muestreo y pruebas de campo El planeamiento del trabajo de exploración tiene como objetivo determinar las condiciones del suelo o roca en la cual se va a cimentar una estructura; entre ellas tenemos: profundidad, espesor, extensión de cada uno de los estratos; profundidad de la roca y del agua subterránea así como la resistencia y compresibilidad. Un programa cuidadosamente planeado y llevado a cabo, así como la correcta interpretación de los resultados, será un factor determinante para el éxito de una obra de ingeniería. Entre los aspectos a considerar dentro del trabajo de exploración es el determinar el espaciamiento entre los sondeos, de tal manera que se pueda obtener la información anteriormente descrita. Al iniciar la investigación exploratoria, es imposible determinar el espaciamiento y profundidades de los estratos no varían entre los sondeos, ya que éste no depende sólo del tipo de estructura, sino también de la uniformidad y regularidad del depósito del suelo, por ello se deberá comenzar con un espaciamiento estimado, el cual aumentará si se necesita datos adicionales o disminuirá si los espesores son demasiado en todos los sondeos. El espaciamiento debe ser menor en áreas que serán 12 Fuente: Braja Das, Principios de Ingeniería de cimentaciones,

12 CAPITULO III sometidas a cargas pesadas y mayor en las áreas menos críticas. A continuación se detalla en la tabla 3.3 los espaciamientos entre sondeos que se utilizan a menudo en el planeamiento de trabajos de sondeos. Tabla 3.3 Espaciamiento de los sondeos 13 Estructura u obra Espaciamiento (mt) Carretera (investigación de la sub rasante) Excavación para préstamo Edificio industrial de un piso Edificio industrial de dos pisos Edificio de varios pisos Otro aspecto importante a considerar es la profundidad de los sondeos. El objetivo principal es determinar un estrato suficientemente resistente que no permita que la estructura experimente asentamientos diferenciales excesivos que puedan dañarla ni a la cimentación misma. Para determinar dicha profundidad, se cuenta con una relación hecha por el Instituto Geotécnico de Bélgica, que indica la profundidad del sondeo de acuerdo al tipo de estructura. Estos se describen en la tabla 3.4.Teniendo claro los criterios a tomar para los sondeos en campo, es necesario determinar qué método utilizar para lograr obtener la información requerida. Tabla 3.4: Profundidades de los sondeos 14 Ancho del edificio (mt) Número de pisos / profundidades de los sondeos (mt) Fuente: Sowers, Georje B Y Sowers Georje F, Introducción a la mecánica de suelos y cimentaciones, Fuente: Braja Das, Principios de Ingeniería de Cimentaciones,

13 CAPITULO III Para realizar estos sondeos, se cuenta con los siguientes mecanismos de exploración: Penetrómetros. Son conos o tubos de acero que se hincan a presión (estáticos) o con el impacto de una masa (dinámicos) y permiten definir indirectamente la estratigrafía del sitio, la variación de la compacidad relativa y la resistencia al corte (drenada) de las arenas con la profundidad, así como la resistencia al corte no drenada de las arcillas. Con el Penetrómetro estándar se recuperan, además, muestras alteradas que permiten definir confiablemente la estratigrafía. Cabe aclarar que la resistencia al corte drenado de las arenas depende de la permeabilidad de éstas, así como de sus condiciones de frontera para el flujo de agua; aunque esto ciertamente es cuestionable cuando las arenas están contaminadas con limos y se trata de ensayos de penetración dinámica. En la exploración de un sitio los Penetrómetros se emplean de acuerdo con tres criterios de aplicación: Como instrumento de exploración para definir la estratigrafía y facilitar con ello la selección de los muestreadores de suelo que deberán emplearse. Para disminuir el costo de realización de sondeos complementarios para cubrir un área grande. Como técnica única de exploración, en proyectos de bajo costo que no puedan justificar sondeos de muestreo. A continuación se detallan los ensayos de penetración de mayor utilidad en el campo de la geotecnia. 44

14 Penetrómetro Estándar (SPT). El Penetrómetro Estándar es un tubo de dimensiones normalizadas que se hinca a percusión. Consiste en un tubo de pared gruesa partido longitudinalmente, con una zapata de acero endurecido y una cabeza que lo une al extremo inferior de la columna de barras de perforación con que se hinca; la cabeza tiene un conducto para la salida de azolves a través de una válvula esférica o una válvula de varilla. Opcionalmente se utiliza una trampa de paso para retener las muestras (ASTM D 1586). El equipo auxiliar para el hincado consiste en una masa golpeadora de acero de 64kg con una guía de caída libre de 75cm y barras de perforación AW ó BW (4.44 y 5.40cm de diámetro; 6.53 y 6.23 Kg/m de peso, respectivamente) con un yunque de golpeo incorporado a la columna de barras. La masa golpeadora se levanta con un malacate de fricción (cabeza de gato). Ver figura 3.2a. Figura 3.2a: Equipo de penetración estándar (SPT) 45

15 CAPITULO III Este penetrómetro se hinca 45cm en el fondo de una perforación de 7.5cm de diámetro mínimo, con los impactos de la masa de 64Kg se cuenta el número de golpes para hincar cada tramo de 15cm. Se define como resistencia a la penetración estándar, al número N de golpes necesarios para introducir el penetrómetro los dos últimos tramos de 15cm.; cuando la dureza del suelo no permite introducir más el tubo partido o cuchara partida, N se define por extrapolación. Cabe mencionar, que las presiones generadas por el suelo a una profundidad determinada, influyen en el número de golpes obtenidos a dicha altura. Por lo tanto, es necesario realizar la corrección respectiva de N. Entre las ecuaciones de corrección tenemos las siguientes: (1) N SPT corregido = N SPT de campo x C n Donde: C n = 0.77 log10 (20/p); p= γ suelo x profundidad de sondeo (2) N SPT corregido = 4N SPT de campo / ( P); Resultados Esperados. Definir la estratigrafía del sitio. Determinar por correlación la compacidad relativa de suelos granulares y la consistencia de suelos cohesivos. Obtener muestras alteradas para determinar en el laboratorio sus propiedades índices. A través del número de golpes N SPT para cada tramo de 30cm y basándose en la clasificación de campo de suelos, con base en el Sistema Unificado de Clasificación SUCS, se define la estratigrafía del sitio explorado. Ver figura 3.2b 46

16 CAPITULO III Sondeo Nº EMPRESA: Figura 3.2 b: Registro de sondeo en suelos PROYECTO: SITUACION: COORDENADAS: X: Y: Z: FECHA: PROFUNDIDAD: HOJA: PROFUNDIDAD. (m.) LONGITUD. TRAMO (m.) NIVEL FRIATICO COLUMNA MUESTRA Nº DE GOLPES S.P.T/M.I LIMITE DE ATTERBERRG LL (%) IP (%) HUMEDAD % CLASIFIC. U.S.C.S 0.25 Suelo vegetal Grava arenosa, bien graduada, de cantos angulares de color negruzco Grava arenosa similar a la anterior con pasadas limo arenosas, más abundantes según se produzca Limo con algo de arena, contiene cantos dispersos, de color blanquecino. Medianamente denso y duro en cuanto a resistencia Limo arcillo arenoso, con cantos de 2 a 3cm de tamaño, angulosos, color marrón oscuro. El material se encuentra suelto y con módulos de material cohesivo Limo arenoso con cantos dispersos, subred ondeados, pueden alcanzar tamaño máximo de 5 cm. El material se encuentra suelto y presenta un color marrón blanquecino. Limo arcilloso marrón oscuro, con gran contenido en materia orgánica. Presenta cantos de grava de 0.5 a 1 cm. De tamaño. ML CL SPT MI ML SPT Limo arenoso, suelto, de color marrón claro. Limo con algo de arena, más cohesivo de color marrón claro. Firme (q u =>2 2.5Kg/cm 2 ) Margas arcillosas con algún canto dispenso, de MI color azulado. Duras (q u =4.5Kg/cm 2) CL 12.0 SPT R OBSERVACIONES: MI: muestra inalterada MA: muestra alterada SPT: ensayo de penetración estándar MNC: muestra no conseguida TP: testigo parafina N.F: nivel freático. 47

17 CAPITULO III Basado en el número de golpes necesarios para penetrar el suelo en un tramo de 15cm, puede correlacionarse a través de la tabla (3.5) la compacidad, considerando su validez sólo para arenas localizadas arriba del nivel freático. Para considerar la profundidad a la que se realiza la prueba y el nivel freático, se utiliza la correlación de la figura 3.2c. Tabla 3.5 Correlación numero de golpes vrs Compacidad relativa (Terzaghi and Peck) Numero golpes Capacidad 0 4 Muy suelta 4 10 Suelta Media Compacta >50 Muy compacta 48

18 Figura 3.2 c: Correlación de número de golpes vrs. Esfuerzo vertical efectivo Así mismo puede correlacionarse N con el ángulo de fricción interna por medio del nomograma mostrado en la figura 3.2d. Figura 3.2.d: Correlación de número de golpes vrs. Angulo de fricción interna ф. Terzaghi and Peck 1. Relación para arenas medianas a gruesas de grano anguloso ha redondeado. 2. Relación para arenas finas y arenas limosas. 49

19 Cono Holandés tipo Eléctrico (CPT) Para hincarse a presión (estático) tiene incorporadas celdas instrumentadas con deformímetros eléctricos que permiten la medición simultánea de las fuerzas necesarias para el hincado de la punta cónica de 60º, ángulo de ataque y 3.6cm de diámetro y de funda cilíndrica de fricción también de 3.6cm de diámetro y 13.25cm de longitud. Ver figura 3.3.a. Figura 3.3 a: Corte transversal del penetrometro eléctrico. 50

20 CAPITULO III Para hincarse de forma dinámica se utiliza un mecanismo hidráulico que aplica 2.5, 10 ó 20T de fuerza axial. La velocidad de hincado es de 2cm/s. La interpretación de este método se realiza a través de la gráfica de la resistencia de punta y fricción de este elemento, que actualmente se procesa por medio de computadoras. En la figura 3.3.b puede observarse cómo se registran los datos del sondeo, a través del registro de la profundidad con sus respectivas resistencias a la fricción (fs) y de punta (qc). Figura 3.3 b: Gráfica de penetración estática Resultados esperados. Clasificar los suelos a través de la correlación empírica, sólo si se cuenta con la medición de la resistencia de punta y fricción fs y qc. Los parámetros de resistencia al corte. 51

21 Esta clasificación puede realizarse a través de correlaciones basadas en las gráficas que se muestran en la figura 3.3.c y 3.3.d. Figura 3.3 c: Clasificación de los suelos con penetrometro estático Figura 3.3.d: Clasificación estimativa de los suelos con penetrómetro. 52

22 Los parámetros de resistencia al corte. Estos parámetros pueden encontrarse por medio de nomogramas y ecuaciones iterativas que se muestran en la figura 3.3.e. 53

23 CAPITULO III Figura 3.3 e: Parámetros de resistencias al corte Exploración Geotécnica In Situ Piezometría: (Método Piezocono): Es un dispositivo que permite medir la presión de poro del agua intersticial del suelo a diferentes profundidades en un sitio determinado. Con él se conoce la distribución de presiones en el sitio explorado. Equipo: Transductor electrónico calibrado, colocado en el interior de una camisa metálica Ø2 con punta cónica. Dos piedras porosas diametralmente opuestas. Cámara con glicerina desairada. 54

24 CAPITULO III Procedimiento de Ejecución 1. Hincado a velocidad constante de 2.5 m/s hasta una profundidad determinada. 2. Se detiene el hincado y se lee presión de poro, midiendo el tiempo transcurrido después de detener el hincado. 3. Repetir este paso hasta alcanzar presión de equilibrio del suelo, es decir hasta que las lecturas de presión se mantengan constantes. 4. En cada medición se grafica curva de disipación de presión de poro vrs. tiempo transcurrido de lectura. 5. Se gráfica los resultados del sondeo relacionando presión de poro con la profundidad. Cono Sísmico Es un dispositivo mediante el cual pueden medirse en campo las velocidades de las ondas de corte y de compresión en el suelo a diferentes profundidades. Es muy útil para determinar las propiedades dinámicas de suelos blandos y arenas sueltas. Equipos Péndulos unidireccionales Camisa metálica con punta cónica de Ø5cm Sistema de amplificación Tarjeta de adquisición de datos conectada a computadora. 55

25 Procedimiento de Ejecución. Consiste en generar ondas de cortante en la superficie golpeando los extremos de un tablón de madera tal que se le coloca un geófono testigo que permite determinar el instante en que se provocan los impactos. Considerando las trayectorias de propagación que siguen las ondas de corte, debe cuidarse que el sondeo de cono se ubique perpendicularmente a la dirección del impacto a una distancia entre 1 y 3m. Las ondas de cortante así generadas viajan a través de la masa hasta ser detectadas por el cono sísmico a una cierta profundidad. El sistema de adquisición de datos permite monitorear simultáneamente al geófono testigo y a los péndulos unidireccionales del cono: consecuentemente, es posible determinar el tiempo que las ondas de corte tardan en viajar desde la superficie hasta el cono. Para maximizar la señal que recibe el cono, éste debe orientarse de manera que el plano de oscilación de uno de los péndulos sea paralelo a la dirección del impacto. Con los datos del sondeo se construye el perfil de la curva dromocrónica, que es una gráfica de tiempos de arribo de la onda de corte para cada profundidad de prueba, haciendo una corrección del tiempo para tomar en cuenta la trayectoria inclinada respecto del punto de impacto; la pendiente entre dos puntos de medición consecutivos es la velocidad de la onda de corte. A partir de la densidad del suelo se obtiene el módulo de rigidez al corte máximo Gmáx con la siguiente ecuación: Donde: ρ: densidad del suelo Vs: velocidad de onda de corte m/s 2 ). G=ρVs 2 Así mismo se calcula la velocidad de onda a través de la siguiente ecuación: To = 4h/Vs Donde: To: período natural del sitio (seg.) H: profundidad total de exploración (m) 56

26 Procedimiento de Muestreo i) Muestreo Alterado Consiste en la recuperación de muestras en las que el acomodo estructural de sus partículas se ha modificada en forma significativa debido al proceso de extracción. Estas muestras se utilizan en el laboratorio para identificar el suelo, conocer algunas propiedades índices, definir la estratigrafía y preparar especímenes compactados o reconstituidos. Técnicas Manuales, excavación de pozos a cielo abierto, pozos someros, cortes y zanjas. Con el penetrómetro estándar y equipo de perforación, sobre todo cuando se requieren a mayor profundidad. Procedimiento de Ejecución El Método manual consiste en recuperar a mano muestras alteradas que se conservan en un recipiente hermético que puede ser una bolsa de polietileno o un frasco hermético de vidrio convenientemente identificado. Las muestras pueden ser de 0.5 a 20Kg, dependiendo de si se emplearán sólo para identificación y determinación de propiedades índice, o si se usarán también para realizar pruebas de compactación. Las muestras se obtienen realizando una perforación con herramientas manuales como pala posteadora y barrenas helicoidales, y con pozos a cielo abierto, zanjas y cortes excavados con picos y palas o maquinaria de excavación y haciendo un muestreo con espátulas y cinceles. Las muestras pueden ser representativas de una sola profundidad o integrales, mezclándolas de todo el pozo. 57

27 ii) Muestreo Inalterado Consiste en obtener especímenes de suelo que conservan el acomodo estructural de sus partículas sólidas; sin embargo, es posible evitar la relajación de esfuerzos y sus consecuencias en el comportamiento mecánico, que pueden ser ligeras o importante dependiendo del cuidado y la técnica con que se obtengan. Técnica Pozo a Cielo Abierto (PCA) Procedimiento de Ejecución Esta técnica puede ejecutarse mediante excavación manual o excavación con maquina. Permite observar las características estratigráficas del suelo y rescatar muestras inalteradas de los estratos principales. Este procedimiento es recomendable para suelos secos y duros. Pueden excavarse de dos formas: sección cuadrada o circular. La primera se extrae de pozos a cielo abierto, zanjas y cortes. Consiste en labrar in situ cubos de suelo de 20 a 30cm de lado que se protegen con manta de cielo impermeabilizada. Para obtenerlas se empieza por eliminar el suelo alterado y después con espátula se labran las paredes, que se cubren con polietileno delgado conforme se termina cada una; una vez terminados los lados se cubren con tela de manta de cielo que se impregna con una mezcla líquida de parafina, a continuación se coloca la caja de protección y se corta la base del cubo, que después se cubre con manta. 58

28 La segunda, es conveniente cuando se estabilizan las paredes de la excavación con lámina corrugada o ferrocemento. Consiste en colocar anillos de malla electrosoldada separados por lo menos 2cm de la pared de excavación. La malla se fija con anclas cortas de varilla corrugada hincadas a percusión y posteriormente se aplica manualmente el mortero con un espesor mínimo de 4cm. Los anillos generalmente empleados son de 1m de altura; si el terreno es estable, esta altura puede incrementarse. Técnica Tubo de Pared Delgada Procedimiento de Ejecución Es utilizado para el muestreo inalterado de suelos blandos a semiduros localizados arriba y abajo del nivel freático; tiene de 7.5 a 10cm de diámetro y se hinca presión. El tubo se una a la cabeza con tornillos Allen o mediante cuerda repujada. La cabeza tiene cuatro drenes laterales para la salida del fluido de perforación y de los azolves durante el hincado. La válvula de bola impide que la muestra se vea sujeta a presiones hidrodinámicas durante la extracción del muestreador. El muestreador se hinca con un solo movimiento una longitud igual a la del tubo menos 15cm, para dejar espacio a los azolves; la velocidad de hincado debe ser entre 15 y 30cm/s. Después se deja en reposo 30seg para permitir que la muestra se expanda y se adhiera al muestreador; a continuación se gira para cortar la base y posteriormente se extrae a la superficie y se mide la longitud de muestra recuperada. Un criterio para juzgar en el campo la calidad del muestreo se 59

29 indica en la tabla 3.6. En el laboratorio la calidad de las muestras se define observando cortes longitudinales para identificar la alteración que pudieran mostrar lentes delgados de algún material o bien, observando el proceso de secado lento de placas delgadas de suelo cortadas longitudinalmente. Tabla 3.6: Recuperación de muestras 15 Recuperación % Calidad Rec = 100 Excelente Rec = 80 Buena 50 < Rec < 80 Mala Rec < 50 Inaceptable Ensayes de Laboratorio Introducción El programa de estudios de laboratorio se establece para cumplir con dos objetivos esenciales: clasificar cuidadosamente los suelos encontrados y obtener sus parámetros de resistencia y deformabilidad para el diseño de la cimentación; para alcanzar estos propósitos, se realizan las pruebas índice y mecánicas enumeradas en la tabla 3.7 Las condiciones de prueba deben elegirse en cada caso particular tratando de reproducir los estados de esfuerzo y patrones de drenaje que generará la estructura; la selección adecuada de las muestras, de acuerdo a tales 15 Fuente: Master en Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. CEDEX, Madrid

30 condiciones permitirá obtener parámetros de diseño representativos del comportamiento del suelo. Esta selección podrá facilitarse si se dispone de la información obtenida de sondeos. En nuestro país, los ensayos para obtener las propiedades mecánicas no se utilizan con mucha frecuencia debido a los costos que representan, sin embargo permiten obtener datos más reales que las encontradas por medio de correlaciones con pruebas de penetración (de mayor uso SPT) y propiedades índices, ya que éstas obligan a tomar factores más conservadores en la determinación de la capacidad de carga de los suelos. Tabla 3.7: Estudios de Laboratorio 16 Propiedades índices Propiedades mecánicas Granulometría Contenido de agua Límites de consistencia Densidad de sólidos Peso volumétrico Resistencia al esfuerzo cortante Compresión triaxial Compresión no confinada Corte directo Torcómetro Deformabilidad Compresibilidad Expansibilidad 16 Fuente: Manual de Cimentaciones Profundas, Sociedad Mexicana de Mecanica de Suelos,

31 CAPITULO III 3.3 DISEÑO GEOTÉCNICO DE PILOTES Introducción El análisis de una cimentación profunda se inicia con la selección de aquellos elementos que sean compatibles con la estratigrafía y propiedades mecánicas de los suelos o rocas del sitio, en términos generales, toda cimentación debe diseñarse para satisfacer dos requisitos esenciales: seguridad adecuada contra falla y funcionalidad de la estructura El diseño geotécnico de una cimentación profunda comprende las siguientes etapas: 1. Investigación geotécnica. ( ver contenido 3.2) 2. Selección del elemento de cimentación y del equipo de construcción. 3. Determinación preliminar de la longitud y capacidad de carga del elemento. 4. Verificación de las etapas 2) y 3), con los datos obtenidos en pruebas de carga Estimación de la longitud del pilote Seleccionar el tipo de pilote por usar y estimar su longitud necesaria son tareas bastantes difíciles que requieren buen criterio. Los pilotes se dividen en tres categorías principales, dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia de carga al suelo: Pilotes de punta Pilotes de fricción Pilotes de compactación 62

32 Pilotes de punta Si los registros de perforación establecen la presencia de lechos de material rocoso en un sitio a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan hasta la superficie de la roca. (Ver figura 3.4a). En este caso, la capacidad última de los pilotes depende por completo de la capacidad de carga del material subyacente; entonces se denominan pilotes de punta. En la mayoría de estos casos, la longitud del pilote puede establecerse con bastante precisión. Q u Figura 3.4 a: Pilote de punta Roca Q p Q u Q p Sin en vez de un lecho rocoso se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro del estrato duro. Véase figura 3.4b. 63

33 Q u Figura 3.4 b: Pilote de punta prolongado en estrato resistente Los pilotes con pedestales se construyen sobre el lecho del estrato duro, y la carga última del pilote se expresa como: Donde: Q u = Q p +Q s Q p = Carga transferida por la punta del pilote Q s = Carga transferida por la fricción superficial desarrollada en los lados del pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote) Si Q s es muy pequeña, Q s Q p En este caso la longitud requerida de pilotes se estima con mucha precisión si se dispone de los registros de exploración del subsuelo. 64

34 Pilotes de fricción Cuando no se tiene un estrato de roca o material duro a una profundidad razonable en un sitio, los pilotes de punta resultan muy largos y antieconómicos. Para este tipo de condición en el subsuelo, los pilotes se hincan en el material más blando a profundidades especificas (véase figura 3.4c) La carga última de los pilotes se expresa por la ecuación: Q u = Q p +Q s Sin embargo el valor de Q p es relativamente pequeño, entonces: Q u Q s Q u Figura 3.4 c: Pilote de fricción Q p Q u Q s 65

35 CAPITULO III Estos se denominan pilotes de fricción porque la mayor parte de la resistencia se deriva de la fricción superficial. Sin embargo el término pilote de fricción no es muy apropiado, aunque se usan con frecuencia en la literatura técnica; en suelos arcillosos, la resistencia a la carga aplicada es también generada por adhesión. La longitud de estos pilotes depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Para determinar las longitudes necesarias de estos pilotes, un ingeniero requiere de un buen entendimiento de la interacción del suelo pilote, de buen criterio y experiencia Pilotes de compactación Bajo ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr una compactación apropiada del suelo cercano a la superficie del terreno, y se denominan pilotes de compactación. Su longitud depende de factores como: La compacidad relativa del suelo antes de la compactación La compacidad relativa deseada del suelo después de la compactación La profundidad requerida de compactación Generalmente, estos pilotes son cortos; sin embargo, son necesarias algunas pruebas de campo para determinar una longitud razonable Mecanismo de transferencia de carga El mecanismo de carga de un pilote al suelo es complicado. Para, entenderlo considere uno de longitud L, como se muestra en la figura 3.5a. La carga sobre el pilote se incrementa gradualmente de cero a Q (z=0) en la superficie del terreno. Parte de esta carga será resistido por la fricción lateral, Q 1, 66

36 CAPITULO III desarrollada a lo largo del fuste y parte por el suelo debajo de la punta del pilote, Q 2 Cómo están relacionadas Q 1 y Q 2 con la carga total? Si se efectúan mediciones para obtener la carga Q (z) tomada por el fuste del pilote a cualquier profundidad z, la naturaleza de la variación será como lo muestra la curva 1 de la figura 3.5b Figura 3.5 a y b: Transferencia de carga en pilotes La resistencia por fricción por arena unitaria a cualquier profundidad z determina como: f (z) = Q (z) /[ (p)( z ) ] se Donde: p= Perímetro de la sección transversal del pilote. 67

37 La figura 3.4c muestra la variación de la función f (z) con la profundidad. Figura 3.5c: Variación de la f z con la profundidad. Figura 3.5d: Resistencia del pilote. Si la carga Q en la superficie del terreno se incrementa gradualmente, la resistencia máxima por fricción a lo largo del fuste del pilote será totalmente movilizada cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sean aproximadamente de 5 a 10 mm independientemente del tamaño y de su longitud L. Sin embargo, la resistencia máxima de punta Q 2 =Q p no será movilizada hasta que la punta del pilote se haya movido de 10 a 25% del diámetro del pilote. (El límite inferior se aplica a pilotes hincados y el límite superior a pilotes perforados) bajo carga última (figura 3.5d y curva 2 en la figura 3.5b), Q (z=0) =Q u. Entonces: Q 1 = Q s Q 2 = Q p 68

38 La explicación anterior indica que Q s se desarrolla bajo un desplazamiento mucho menor con el de la resistencia de punta Q p. Bajo carga última, la superficie de falla en el suelo en la punta del pilote es parecida a la mostrada en la figura 3.4e. Figura 3.5e: Mecanismo de transferencia de carga en pilotes Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote Capacidad de carga de la punta, Q p La capacidad de carga última Q u de un pilote se expresa como: Q u = Q p +Q s Para cimentaciones superficiales se tiene la ecuación dada por Terzaghi para calcular la capacidad última de carga: Donde: q u =c N c *+ qn q * +γdn γ * c = cohesión del suelo γ = peso especifico del suelo D = ancho de la cimentación 69

39 N c *, N q *, N γ * son los factores de capacidad de carga que influyen los factores necesarios de forma y profundidad. Aunque para pilotes estos valores serán diferentes. Como el ancho D de un pilote es relativamente pequeño, el término γdn γ * se cancela del lado derecho de la ecuación entonces tenemos: El término q fue sustituido por q para indicar un esfuerzo vertical efectivo. Por lo tanto la carga de punta de pilote es: Donde: A p = Área de la punta del pilote q p = Resistencia unitaria de punta q p =c N c *+ q N q * Q p = A p q p = A p (c N c *+ q N q *) Resistencia por fricción, Q s La resistencia por fricción superficial de un pilote se expresa como: Donde: Q s = p Lf p = Perímetro de la sección del pilote L = Longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes f = Resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z Correlaciones empíricas según Meyerhof propuso una manera sencilla para determinar la resistencia por fricción a partir de los datos obtenidos en una prueba de penetración estándar, expresada en la siguiente ecuación. 70

40 Qs = 0.02 N A S L (kg/cm 2 ) Donde: Q s = Resistencia por fricción N = Número de golpes, N, para penetrar 30 cm del estrato resistente N = Número de golpes, N, para penetrar 30 cm del estrato intermedio A s = El perímetro del pilote L = Longitud del pilote Métodos para estimar la carga por punta (Q p ) Método de Meyerhof En base a observaciones de campo Meyerhof en 1976 sugirió que la resistencia de punta ultima q p mediante la siguiente ecuación. Para pilotes en arena, c = 0 Q p =A p q p = AP q'nq* En arena La variación de N q * con el ángulo φ de fricción del suelo se muestra en la figura 3.6 sin embargo, Q p no debe exceder el valor limite A p q l, es decir, Q p = A p q'n q * A p q l La resistencia de punta límite es: q l =0.50 p a N q *tan φ Donde: p a = presión atmosférica (100KN/M 2 O 2000lb/pie 2 ) 71

41 φ = ángulo efectivo de fricción del suelo del estrato de apoyo Con base en observaciones de campo, Meyerhof (1976) también sugirió que la resistencia de punta ultima q p en un suelo granular homogéneo (L=L b ) puede obtenerse a partir de numero de penetración estándar como. q l = 0.40 p a (N 1 ) 60 (L/D) 4 p a (N 1 ) 60 Donde (N 1 ) 60 valor promedio corregido del número de penetración estándar cerca de la punta del pilote (aproximadamente 10D arriba y 4D debajo de la punta del pilote) Figura 3.6: Variación de los valores máximos de N q * con el ángulo φ de fricción del suelo Angulo de fricción del suelo, φ (grados) Método de Vesic Vesic en 1977 propuso un método para estimar la capacidad de carga de punta de un pilote con base en la teoría de expansión de cavidades. De acuerdo con esta teoría, basada en parámetros de esfuerzo efectivo, se deduce la ecuación propuesta Q p =A p q p = A p (c'n c *+σ ' o N σ *) 72

42 Método de Janbu (En arena) Janbu en 1976 propuso calcular la carga por punta en pilotes mediante la expresión descrita. Q p =A p (c'nc*+q'n q *) En arena Los factores de capacidad de carga de N c *N q * se calculan suponiendo una superficie de falla en el suelo en la punta del pilote similar a la mostrada en la figura 3.7. Figura 3.7: Superficie de falla en la punta del pilote En la tabla 3.8 da la variación de Nc*y Nq* para η' = 60, 75 y 90 Tabla 3.8: Factores de capacidad de carga de Janbu 17 = 60 = 75 = 90 φ 0 N c * N q * N c * N q * N c * N q * Fuente: Braja Das M., Principios de Ingeniería de Cimentaciones,

43 CAPITULO III Método de Coyle y Castello Coyle y Castello en 1981 analizaron 24 pruebas de carga en campo a gran escala de pilotes hincados en arenas. Con los resultados obtenidos, sugirieron la siguiente ecuación. Q p = q'n q *A p En arena La figura 3.8 muestra la variación de Nq* con L/D y el ángulo de fricción del suelo Ф. Figura 3.8: Variación de Nq*con L/D 74

44 3.3.6 Correlaciones para calcular Q p con resultados SPT y CPT Existen varias correlaciones en la literatura técnica para calcular Qp con bases en pruebas de penetración estándar y en resultados de pruebas de penetración de cono conducidas en el campo. A continuación se detallan varias correlaciones en la tabla 3.9 Tabla 3.9: Correlaciones con la resistencia a la penetración estándar 18 Referencia Relación Aplicabilidad Briaud y otros (1985) q p = 19.7p a (N 60 ) 0.36 Arena Shioi y Fukui (1982) q p = 3p a Colado en lugar q p = 0.2p a N 60 q p = 0.15p a N 60 q p = 0.3p a N 60 Pilote perforado, arena Pilote perforado, arena gravosa Pilotes hincados, todos los suelos La tabla 3.9 da la correlación de q p con el número N 60 de penetración estándar. Es importante observar que el valor N 60 es la condición promedio cerca de la punta del pilote (es decir, 4D abajo Y 10D arriba de la punta del pilote) Hay dos métodos principales para estimar de q p usando la resistencia q c de la penetración de cono: Método LCPC Desarrollado por el Laboratoire Central des Ponts et Chaussees (Bustamante y Gianeselli, 1982) De acuerdo con el método LCPC Donde: q p = q c(eq) k b 18 Fuente: Braja Das M., Principios de Ingeniería de Cimentaciones,

45 q c(eq) = Resistencia equivalente promedio del cono k b = Factor empírico de capacidad de carga La magnitud de q c(eq) se calcula de la siguiente manera: Considere la resistencia qc en la punta del cono dentro de un intervalo de 1.5 D debajo de la punta a 1.5D arriba de la punta del pilote. Calcule el promedio de qc[q c(prom) ] dentro de la zona mostrada en la figura 3.9 Elimine los valores qc que son mayores que 1.3 q c(prom) y los valores q c que son menores que 0.7 q c(prom) Calcule q c(eq) promediando los valores q c restantes. Método holandés De acuerdo con el método holandés (de Ruiter y Beringen, 1979), se considera la variación de q c en el intérvalo de 4D por debajo de la punta del pilote a 8D por arriba de la punta como se muestra en la figura Figura 3.9: Método LCPC 76

46 CAPITULO III Figura 3.10: Método holandés Luego se efectúan las siguientes operaciones: Promedie los valores qc en una distancia y D debajo de la punta del pilote. Esta es la trayectoria a b c. sume los valores qc a lo largo de la trayectoria descendente a b (o sea, la trayectoria real a) y la trayectoria ascendente b c (o sea, la trayectoria mínima). Determine el valor q c1 = valor promedio de q c para 0.7< y <4. Promedie los valores q c (q c2 ) entre la punta del pilote y 8D arriba de la punta a lo largo de la trayectoria c d e f g, usando la trayectoria mínima e ignorando las depresiones puntuales menores. Calcule: Donde 77

47 pa = Presión atmosférica ( 100kN/m2) Resistencia por fricción Qs en arena Para estimar la resistencia por fricción se utiliza la ecuación Q s = p Lf Donde la resistencia unitaria por fricción f en arenas, es difícil de estimar debido a que depende de varios factores: 1. La naturaleza de la instalación del pilote. 2. La fricción unitaria superficial crece con la profundidad más o menos linealmente hasta una profundidad determinada luego permanece constante. 3. A profundidades similares, la fricción unitaria superficial en arena suelta es mayor para un pilote de alto desplazamiento que para un pilote de bajo desplazamiento. 4. A profundidades similares, los pilotes perforados o hincados parcialmente con chorro de agua a gran presión tendrán una fricción unitaria superficial menor en el caso de pilotes hincados. La estimación de la resistencia por fricción superficial de pilotes en arcilla es casi tan difícil como en arenas debido a la presencia de variables que no son cuantificadas fácilmente. Aunque en la actualidad existen métodos que se utilizan para obtener la resistencia unitaria por fricción de pilotes Capacidad de carga por punta de pilotes sobre roca 78

48 En algunas ocasiones los pilotes se hincan hasta un estrato subyacente de roca. En tales casos, el ingeniero debe evaluar la capacidad de carga de roca. La resistencia unitaria última de punta en roca (GOODMAN, 1980) es aproximadamente. Donde: q p = q u (N Ф +1) N Ф =tan 2 (45+Ф'/2) q u = resistencia a compresión no confinada de la roca Ф'=ángulo de fricción drenado Pruebas de carga en pilotes En la mayoría de los grandes proyectos, los pilotes deben someterse a un número específico de pruebas de carga. La razón principal es la falta de confiabilidad en los métodos de predicción. La capacidad de carga vertical y lateral de un pilote puede probarse en el campo. En la figura 3.11a se muestra un diagrama esquemático del arreglo de un ensayo de carga en pilotes para probar la compresión axial en el campo 79

49 CAPITULO III Figura 3.11a: Diagrama esquemático del arreglo de una prueba de carga de un pilote En las figura 3.11b se muestra un diagrama carga carga asentamiento total obtenido de una carga y descarga de campo. Para cualquier carga, Q, el asentamiento neto del pilote se calcula como sigue: Q = Q 1 Asentamiento neto, s neto(1) = s t(1) s e(1). Cuando Q = Q 2. 80