Comportamiento geotécnico de pilotes entrelazados

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1 Comportamiento geotécnico de pilotes entrelazados Geotechnical behavior of piles interlocked GAUDENCIO DURAN 1, SERGIO ANTONIO MARTÍNEZ 2 1 SEPI-ESIA UZ 2 SEPI-ESIA UZ RESUMEN: El subsuelo lacustre del valle de México presenta diversos problemas geotécnicos, destacando principalmente: la alta compresibilidad y baja resistencia al esfuerzo cortante, aunado al fenómeno de hundimiento regional o subsidencia y la amplificación sísmica, con el fin de disminuir estos problemas se propone otra alternativa mediante los pilotes entrelazados, a partir de un modelado de diferencias finitas se evalúa el comportamiento esfuerzodeformación de las arcillas mediante el modelo constitutivo elastoplástico no lineal con criterio de falla de Mohr-Coulomb, así como su evaluación de los asentamientos a corto y largo plazo (asentamientos elásticos, asentamientos por consolidación por carga externa y asentamientos por consolidación regional a 5 años y 50 años), en donde se estudian 27 modelos numéricos del sistema cajón pilotes de fricción inclusiones (pilotes Finalmente, con base a la información disponible y a los resultados calculados mediante el modelo numérico se elabora las conclusiones y comentarios generales. Palabras clave: Pilotes entrelazados, cimentaciones, asentamientos, modelo numérico. 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Definición Los pilotes entrelazados son parte de un sistema de cimentación compuesto por cajón con pilotes de fricción convencionales ligados a la subestructura e inclusiones (elementos estructurales) apoyados en la capa dura pero no ligados a la estructura de la cimentación, además tienen como objetivo poder soportar cargas grandes sin que los edificios sufriesen hundimientos excesivos, y a la vez permitir que el edificio siga en forma aproximada los movimientos de la superficie del terreno causados por el hundimiento regional (Girault, 1964) Antecedentes Los suelos arcillosos blandos de la Ciudad de México son la consecuencia del proceso de depósito y de alteración fisicoquímica de los materiales aluviales y de las cenizas volcánicas, además han sido fuente de muchos problemas serios de ingeniería. Los tres principales problemas a los que se enfrentan los ingenieros durante el diseño y construcción de cimentaciones son: La alta compresibilidad y baja resistencia al corte de las arcillas lacustres, el hundimiento regional (subsidencia) y la amplificación sísmica por efectos locales del subsuelo. 2. CARACTERISTICAS DE LOS PILOTES ENTRELZADOS 2.1. Componentes Los componentes básicos de esta cimentación son: a) Pilotes tipo "A" unidos a la cimentación. b) Pilotes tipo "B" clavados de punta en la capa dura con sus cabezas varios metros abajo de la losa o cajón de cimentación. c) La losa de cimentación o losa del cajón de cimentación. Los pilotes entrelazados (los pilotes A y B) disminuye la magnitud de los esfuerzos inducidos en el suelo por el peso propio de la estructura al suelo. Asimismo, las capas de compresión del suelo entre la punta del pilote A y la capa dura, y entre la cabeza del pilote B y la losa de cimentación absorbe los enjutamientos de la formación arcillosa superior. Por lo anterior, hay dos camas de compresión, una superficial de espesor Hcs y otra profunda con espesor Hcp (Fig. 1) Comportamiento La carga neta de la estructura se transmite por medio de la losa de cimentación a los pilotes A, los cuales transmiten su carga al subsuelo por fricción positiva y al mismo tiempo transfieren parte de su carga, a través del suelo, a los pilotes tipo B. Los pilotes B reciben carga del subsuelo por medio de la

2 2 Comportamiento geotécnico de pilotes entrelazados fracción negativa y transmiten esta carga a la capa dura. Este arreglo permite disminuir los esfuerzos verticales inducidos por el peso del edificio en el subsuelo que queda entre los pilotes A. Tabla 1. Parámetros de resistencia definitivos de los estratos del suelo. Tabla 2. Parámetros de deformación definitivos de los estratos del suelo. Figura 1. Cimentación con Pilotes Entrelazados. 3. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA EN ESTUDIO El predio en estudio se encuentra ubicado en la parte sur de la Ciudad de México, en la esquina que forman las calles filipinas y Sur 17, en la colonia San Simón Ticomac, de la Delegación Benito Juárez, México, CDMX. Con base en las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Cimentaciones, NTC-DCC (GDF, 2004-b) y al tipo de material encontrado en el predio de estudio durante la campaña de exploración, el predio de estudio se encuentra en la Zona III, conforme a la zonificación geotécnica de la cuenca del Valle de México Modelo geotécnico La Tabla 1 muestra los parámetros de resistencia determinados en términos de esfuerzos totales (corto plazo) y de esfuerzos efectivos (largo plazo). Asimismo, la Tabla 2 muestra los parámetros de compresibilidad volumétrica de los estratos de arcilla. El perfil estratigráfico está conformado por nueve sub-estratos hasta 45.0 m de profundidad, y el Nivel de Aguas Freáticas (NAF) está a 1.85 m de profundidad. La consolidación regional se presenta debido al abatimiento piezométrico profundo, en la Fig. 2 se presenta los perfiles piezométricos para las condiciones actuales y para el abatimiento para 5 y 50 años. Figura 2. Distribuciones piezométricas: Presión hidrostática, actual, a 5 años y 50 años de abatimiento..

3 DURAN G. et al Cimentaciones analizadas El cajón de cimentación cubre toda el área del edificio, longitud (L) de 50.0 m, ancho (B) de 12.0 m y profundidad de desplante a 3.50 m. El cajón está conformado por losa superior de 0.20 m de espesor, losa fonda de 0.50 m de espesor y muros perimetrales de 0.40 m de espesor y 18 columnas de 0.70 m de diámetro. Las inclusiones son de concreto, con diámetro de 0.30 m y tres casos de longitud, Tabla 3. Las inclusiones en todos los casos de análisis están empotradas 1.0 m en la capa dura. Asimismo, la Tabla 3 muestra las combinaciones de longitud de pilotes e inclusiones, en total veintisiete análisis. La propuesta del arreglo del sistema de pilotes entrelazados (pilotes de fricción e inclusiones) se muestra en la Fig. 3. Tabla 3. Propiedades geométricas de los pilotes e inclusiones. Dimensión de pilote Dimensión de inclusión Caso Diámetro Longitud Diámetro Longitud a b c Figura 4. Malla completa. La carga aplicada para calcular el hundimiento del cajón de cimentación se evalúa a partir de la carga de un valor de 4, t (W ini ), hay que tomar en cuenta que el análisis paramétrico considera que la carga de diseño varía entre ±15%. Para la carga W ini, la Fig. 5 muestra los asentamientos máximos (punto A) y mínimos (punto B) debido a la consolidación generada por carga externa en la losa de fondo de la cimentación. El asentamiento máximo calculado para carga externa es de cm. Asentamientos en cm Figura 3. Propuesta de distribución de pilotes e inclusiones Modelo numérico La Fig. 4 se muestra el modelo numérico completo, donde se visualiza la extensión de las fronteras en el sentido X con una distancia de metros y en el sentido Y con una distancia de metros, con las cuales se quiere evitar problemas en las fronteras. Figura 5. Asentamientos por consolidación generados por carga externa, carga inicial (Wini) con una longitud de pilote de m y longitud de inclusiones de m. La Fig. 6 presenta la distribución de asentamientos a lo largo del eje transversal. En esta figura (6) define el campo libre (CL, punto C). Para asentamientos elásticos y por consolidación generados por carga externa, el desplazamiento vertical es prácticamente nulo en el campo libre. En el mismo campo libre, los asentamientos generados por consolidación regional a 5 y 50 años son de 0.50 m a 1.78 m respectivamente. En este perfil, el asentamiento máximo por consolidación regional a 50 años muestra una emersión es de cm y el correspondiente asentamiento diferencial máximo es de 2.03 cm.

4 4 Comportamiento geotécnico de pilotes entrelazados Figura 6. Distribución de asentamientos a lo largo del eje transversal, carga inicial (Wini) con una longitud de pilote de m y longitud de inclusiones de m. La Fig. 7 muestra la distribución del asentamiento máximo en función del tipo de análisis, la variación del asentamiento máximo también es función de la magnitud de la carga: WW iiiiii, WW 0.85 y WW 1.15, así como de las 3 longitudes de los pilotes de fricción y 3 longitudes de inclusiones propuestas. Asimismo, esta figura indica el asentamiento máximo permitido (de 15 cm para las zonas geotécnicas II y III y con construcciones colindantes) por las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Cimentaciones del Distrito Federal (NTC-DCC, 2004-b). Esta gráfica resume el comportamiento del cajón de cimentación en conjunto con los pilotes de fricción y las inclusiones en toda su vida de servicio, observe que: para las cargas WW 0..85, WW iiiiii y WW 1.15 y en función de la longitud de los pilotes e inclusiones, el cajón de cimentación pilotes de fricción inclusiones (pilotes entrelazados) se presentan asentamientos no permisibles a corto plazo, por otra parte, a largo plazo la estructura presenta emersión hasta un valor máximo de 107 cm, la cual no cumplen con las normas locales. El apoyo de los pilotes de fricción e inclusiones permite un mejoramiento en la reducción de la magnitud de los asentamientos totales y diferenciales, pero debe tenerse en cuenta que las longitudes de las inclusiones influyen en la emersión de la estructura. Los asentamientos diferenciales máximos (calculados entre los puntos A y B en la losa fondo), muestran un comportamiento creciente a lo largo de su vida de servicio, aunque de menor magnitud que el cajón de cimentación pilotes de fricción, Fig. 8. El asentamiento diferencial máximo calculado varía entre cm y cm en función de la carga y longitudes de pilotes de fricción e inclusiones. Las NTC-DCC (GDF, 2004-b) establece que la deformación diferencial de la propia estructura para muros de carga de tabique de barro su límite es de 0.002, la Fig. 9 muestra que las deformaciones diferenciales calculadas por consolidación regional a 50 años no cumplen con esta condición. Figura 8. Asentamientos diferenciales máximos en el cajón de cimentación pilotes de fricción inclusiones (pilotes Figura 7. Asentamientos máximos en el cajón de cimentación pilotes de fricción inclusiones (pilotes De acuerdo con el presente cálculo el cajón de cimentación apoyado con pilotes de fricción e inclusiones permite reducir la magnitud de asentamientos totales y diferenciales, sin embargo, hay que tener en cuenta la combinación de la longitud de los pilotes y las inclusiones debido a que en el cálculo pueden presentarse asentamientos o emersiones a largo plazo debido a la consolidación regional. La estructura no cumple con las normas locales a lo largo de su vida de servicio..

5 DURAN G. et al. 5 Sociedad Mexicana De Mecánica De Suelos A. C. SMMS, Instituto de Ingeniería de la UNAM. (2006). Inclusiones rígidas en suelos difíciles, Trelle, A., Cirión, A., Paulín, J., Ibarra, E. (2006). Mejoramiento masivo de arcillas blandas en la ciudad de México, mediante inclusiones rígidas: caso historia de edificios de vivienda SMMS, Figura 9. Deformación diferencial en el cajón de cimentación pilotes de fricción inclusiones (pilotes 4. CONCLUSIONES El sistema de pilotes entrelazados es una alternativa que mejora la rigidez de los suelos de compresibilidad alta en proceso de subsidencia. El análisis numérico tridimensional realizado en el presente trabajo muestra la eficacia del sistema cajón con pilotes de fricción e inclusiones (pilotes entrelazados) en la reducción del hundimiento máximo, del asentamiento diferencial máximo y de la deformación diferencial máxima. La profundidad de desplante de los pilotes y la longitud de las inclusiones influye significativamente en la magnitud de los asentamientos o emersiones generadas en conjunto con la consolidación regional. En el presente estudio, la distribución de las inclusiones reduce los asentamientos máximo y diferencial a magnitudes permisibles por las NTC- DCC (GDF, 2004-b). 5. REFERENCIAS Holguín, E., Vega, L., Santoyo, E., Contreras, R. (2010). Uso de inclusiones rígidas en suelos blandos de origen lacustre, SMMS, Mánica, M.A. (2013). Comportamiento dinámico de inclusiones rígidas, Tesis, Maestría, México, Universidad Nacional Autónoma de México. DDF y GDF a (2004). Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, Gaceta Oficial del Distrito Federal, México, D. F. DDF y GDF b (2004). Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Cimentaciones, Gaceta Oficial del Distrito Federal, México, D. F. Rodríguez, J.F., Guichard G.A. (2010). Inclusiones rígidas como alternativa de cimentación en los suelos lacustres de la Ciudad de México, SMMS,