Cimentaciones con Pilotes

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CIMENTACIONES CON PILOTESCIMENTACIONES CON PILOTES
DENIS AVON
PRUEBAS DE CARGAS EN PILOTES
En la mayoría de los grandes proyectos, los pilotes deben ser
sometidos a un numero especifico de pruebas de carga, debido a la falta
de confiabilidad en los métodos de predicción.
La capacidad de carga vertical y lateral de un pilote pueden
probarse en el campoprobarse en el campo.
•VIGA DE REACCION
Diagrama esquemático
del arreglo de un ensayo de
carga en pilotes para probar la
•Gato
hidráulico
•Deformímetro
compresión axial en el campo.
•VIGA DE 
REFERENCIA
•PILOTE DE
•Anclajes
al terreno
PRUEBA
•Anclajes 
al terreno
La carga se aplica al pilote por medio de un gato hidráulico. Se aplica
al pilote cargas por etapas y se permite que pase suficiente tiempo
después de cada aplicación de manera que ocurra una pequeña cantidad
de asentamiento
El asentamientos se mide por medio de deformimetros. La cantidad
de carga por aplicar en cada etapa variará, dependiendo de los
reglamentos locales de construcción.
La mayoría de los reglamentos requieren que cada etapa de carga
sea aproximadamente igual a un cuarto de la carga de trabajo propuesta.
La prueba debe efectuarse por lo menos a una carga total de dos
l d t b j tveces la carga de trabajo propuesta.
Después de alcanzarse la carga deseada en el pilote, este es
descargado gradualmentedescargado gradualmente.
Diagrama carga - asentamiento
obtenido de una carga y descarga deobtenido de una carga y descarga de
campo.
Para cualquier carga “ Q “, el asentamiento neto del pilote se calcula q g Q , p
de la siguiente forma: 
Cuando Q = Q1. Sneto(1) = St(1) - Se(1)
Cuando Q = Q S = S SCuando Q = Q2. Sneto(2) = St(2) - Se(2)
Donde:
Sneto: Asentamiento neto.neto
Se: Asentamiento elástico del pilote.
St: Asentamiento total.
Grafica de carga - asentamiento neto.
La carga ultima del pilote se determina con esta graficaLa carga ultima del pilote se determina con esta grafica.
El procedimiento de prueba de carga antes descrito requiere la
aplicación de cargas por etapas sobre los pilotes así como la medición delp g p p p
asentamiento y se llama ensayo de carga controlada.
Otra técnica usada para prueba de carga en pilotes es la rigidez de
penetración constante.
Donde la carga sobre el pilote se incrementa continuamente
para mantener una velocidad constante de penetración, que varia
de 0.25 a 2.5 min
mm
Esta prueba da una grafica carga - asentamiento similar a la
obtenida con la de carga controlada.
Otro tipo de prueba de carga de pilotes es la carga cíclica, en la
que la carga incremental se aplica y se retira repetidamente.
Para llevar a cabo una prueba de carga en pilotes, es importante
tomar en cuenta el intervalo de tiempo después del final del hincado
(EOD).
ASENTAMIENTO ELASTICO DEL PILOTE
El asentamiento total de un pilote bajo una carga de trabajo vertical
Qw, esta dado por:,
Se = Se(1) + Se(2) +Se(3)
D dDonde:
Se(1) : Asentamiento elástico del pilote.
Se(2) : Asentamiento del pilote causado por la carga en la punta.
Se(3) : Asentamiento del pilote causado por la carga transmitida a lo largo delSe(3) : Asentamiento del pilote causado por la carga transmitida a lo largo del 
fuste del pilote.
Si el material del pilote se supone elástico, la deformación del fuste
del pilote se evalúa usando los principios fundamentales de la mecánica de
materiales:
L)QQ( ξ
pp
wswp
)1(e EA
L)QQ(
S
ξ+
=
Donde:Donde:
Qwp : Carga en la punta del pilote bajo condición de carga trabajo.
Q C i t i d f i ió b j di ió d d t b jQws : Carga por resistencia de fricción bajo condición de carga de trabajo.
Ap : Área de la sección transversal del pilote.
L : Longitud del pilote.
Ep: Modulo de elasticidad del material del pilote.
La magnitud de dependerá de la naturaleza de la distribución de
la resistencia por fricción (Superficial) unitaria a lo largo del fuste.
ξ
Si la distribución de f es:
50=ξ
Uniforme Parabólica
50=ξ
Triangular
67.0=ξ
ƒ
5.0=ξ
ƒ
5.0=ξ ξ
ƒ
El asentamiento de un pilote causado por la carga en la punta se
expresa como:
D d
( ) wp2s
s
wp
)2(e I1E
Dq
S μ−=
Donde:
D: Ancho o diámetro del pilote.
qwp: Carga puntual por área unitaria en la puntaqwp g p p p
del pilote.
Es : Módulo de elasticidad del suelo en o bajo la
punta del pilote.p
wp
wp A
Q
q =
p p
μs : Relación de Poisson del suelo.
Iwp : Factor de influencia ~ 0.85
Vesic (1977) también propuso un método semiempìrico para obtener 
la magnitud del asentamiento de Se(2).
Donde: 
p
pwp
)2(e Dq
CQ
S = qp: Resistencia ultima en la punta del pilote.
C Coeficiente empíricoCp: Coeficiente empírico
Valores empíricos de Cpp p
Tipo de Suelo Pilote Hincado Pilote Perforado
Arena (Densa a Suelta) 0.02 - 0.04 0.09 -0.18
Arcilla (Firme a Blanda) 0.02 - 0.03 0.03 - 0.06
Limo (Denso a Suelto) 0.03 - 0.05 0.09 - 0.12
El asentamiento de un pilote causado por la carga transmitida por el 
fuste se da por la siguiente ecuación:
( )DQ ⎞⎛
Donde:
( ) ws2s
s
ws
)3(e I1E
D
pL
Q
S μ−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
= p: Perímetro del pilote.
L: Longitud de penetración del piloteL: Longitud de penetración del pilote.
Iws: Factor de influencia.
L (1977) Vesic 35.02
D
LIws +=
Vesic también propuso una relación empírica simple para SVesic también propuso una relación empírica simple para Se(3)
⎟
⎟
⎞
⎜
⎜
⎛
= sws
CQ
S C
L160930C ⎥
⎤
⎢
⎡
+=
⎟
⎟
⎠
⎜
⎜
⎝
=
p
)3(e Lq
S ps CD16.093.0C ⎥
⎥
⎦⎢
⎢
⎣
+=
FRICCION NEGATIVA
Es una fuerza de arrastre hacia abajo ejercida sobre el pilote por el
suelo circundante, lo cual ocurre bajo las siguientes condiciones:
Si un relleno arcilloso se coloca sobre
un estrato de suelo granular en el que se
hinca un pilote, el relleno se consolidará
Hf
Relleno 
de Arcilla
A
z
gradualmente; esto ejercerá una fuerza
de arrastre sobre el pilote durante el
periodo de consolidación.
L Arena
Si un relleno de suelo granular se
H
Relleno g
coloca sobre un estrato de arcilla
blanda, inducirá el proceso de
consolidación en el estrato de arcilla y
Hf
z
de Arena
Nivel 
N t
L1L
y
ejercerá entonces una fuerza de arrastre
sobre el pilote. Arcilla
Neutro
El abatimiento del nivel freático incrementará el esfuerzo vertical efectivo
sobre el suelo a cualquier profundidad lo que inducirá asentamientos porsobre el suelo a cualquier profundidad, lo que inducirá asentamientos por
consolidación en la arcilla. Si un pilote se localiza en el estrato de arcilla,
quedará sometido a una fuerza de arrastre.
En algunos casos, la fuera de arrastre es excesiva y ocasionará falla
de la cimentación.
Relleno de arcilla sobre suelo granular
δσ tan'k'ƒ o=n
Donde:
ƒn: Esfuerzo superficial negativo (Hacia abajo).
K’: Coeficiente de presión de tierra.
σo’: Esfuerzo vertical efectivo a cualquier profundidad z.
'1' φSenKK o −==
zo '' ƒγσ =
γƒ’: Peso específico efectivo del relleno.
δ: Ángulo de fricción suelo - pilote. '0.7 - 5.0 φδ =
dzzTanQ
H
∫=
ƒ
ƒ )'(pk' δγ Hƒ : Altura del relleno
'' 2ƒƒ δγ TanHpk=dzzTanQn ∫
0
ƒ )(pk δγ Hƒ : Altura del relleno.2
Si el relleno esta arriba del nivel freático, el peso específico efectivo,
d b l d l ífi hú ddebe ser reemplazado por el peso específico húmedo.
R ll d l l b illRelleno de suelo granular sobre arcilla
El esfuerzo de fricción negativa sobre el pilote existe de z=0 a z=L1, y 
se denomina profundidad neutra La profundidad neutra se aplica como:se denomina profundidad neutra. La profundidad neutra se aplica como:
(1982) Bowles 
'
'2
'
'
2L
ƒƒƒƒƒƒ
1 γ
γ
γ
γ HHHLHL
L −⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−−
=
2L1 γγ ⎦⎣
Donde:
γƒ ‘y γ’: Pesos Específicos efectivos del relleno y del estrato de arcilla 
subyacente, respectivamente.
Para pilotes de punta, la profundidad neutra se supone localizada en p p , p p
la punta del pilote → L1 = L - Hƒ
La fricciòn negativa unitaria a cualquier profundidad desde z = 0 a z = 
L1 es:1
δσ= Tan``k onƒ `Sen1K`K o φ−== z̀H̀`o γ+γ=σ ƒƒ `5.0 φ=δ 0.7 - 
z
L
0
n dpQ
1
nƒ∫= dzTan)z̀H``(pk
1L
0
δγ+γ= ∫ ƒƒ 2
Tan``pKLL)TanH``pK(2
1
1
δγ
+δγ= ƒƒ
Si el suelo y el relleno están arriba del nivel freático, los pesos
específicos efectivos deben remplazarse por pesos específicos húmedosespecíficos efectivos deben remplazarse por pesos específicos húmedos.
En algunos casos los pilotes se recubren con material bituminoso en
la zona de arrastre para evitar este problema.p p
GRUPOS DE PILOTES
Efi i i d Pil tEficiencia de Pilotes
En la mayoría de los casos los pilotes se usan en grupo para
transmitir la carga estructural al suelo.
Una zapatacabezal se
construye sobre un grupo de
il t El b l d t
Cabezal de los pilotes
Lpilotes. El cabezal puede estar en
contacto con el terreno, como en la
mayoría de los casos.
d d
L
d d
El cabezal también puede
Nivel 
Freático
estar arriba del terreno, como en el
caso de las plataformas fuera de la
costa.
L
La determinación de la capacidad de carga de grupos de pilotes es
extremadamente complicada y no se ha resuelto aun completamenteextremadamente complicada y no se ha resuelto aun completamente.
Cuando los pilotes se
colocan cerca uno de otro, los
esfuerzos transmitidos por los
pilotes al suelo se traslaparan,pilotes al suelo se traslaparan,
reduciendo la capacidad de carga
de los pilotes.
Los pilotes deberían espaciarse de manera que la capacidad de cargaLos pilotes deberían espaciarse de manera que la capacidad de carga
del grupo no fuese menor que la suma de las capacidades de carga de los
pilotes individuales.
En la práctica el espaciamiento “d” mínimo centro a centro es de 2.5 
D it i di i i d t d 3 3 5 D
La eficiencia de la capacidad de carga de un grupo de pilotes se 
define como:
D y en situaciones ordinarias, es aproximadamente de 3 a 3.5 D 
Q
Donde:
define como:
∑
=η
u
)u(g
Q
Q η: Eficiencia del grupo.
Qg(u) : Capacidad ultima de carga del grupo de pilotes.
Q C id d lti d d d il t i lQu : Capacidad ultima de carga de cada pilote sin el
efecto del grupo.
En ocasiones se utiliza un análisis simplificado para obtener la
eficiencia del grupo de pilotes de fricción, particular mente en arena.
Planta
xgrupodepilotesdeNumero nn=
Cabezal de los pilotesSección
d
d d
Bg
21 x grupodepilotesdeNumero nn=
gB≥gL : Nota
⎟
⎞
⎜
⎛2)1( DdL
L
d
Lg
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛+−=
2
2)1( 1
DdnLg
⎟
⎞
⎜
⎛+−= 2)1( DdnB
d d
⎟
⎠
⎜
⎝
+=
2
2)1( 2 dnBg
Dependiendo del espaciamiento dentro del grupo, los pilotes actúan p p g p , p
de dos maneras:
Como un bloque con dimensiones Lg x Bg x L
Donde
ƒprom: Resistencia por fricciòn unitaria promedio
LpQ g)u(g promƒ≈
ƒprom p p
pg: Perímetro de la sección transversal del bloque
( ) D4d2nn2p 21g +−+=
Como pilotes individuales.
pLQ u promƒ≈ pg: Perímetro de la sección transversal de cada pilote.
Si
∑
=η
u
)u(g
Q
Q ( )
21
21
npn
D4d2nn2 +−+
=η
Por lo que
( ) ∑⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ +−+
= u
21
21
)u(g
Q
npn
D4d2nn2Q
 1≥η ∑= u)u(g QQSi 
El espaciamiento centro a centro “d ” es suficientemente grande,
los pilotes se comportan como pilotes individuales
 1<η ∑η= u)u(g QQSi 
Ecuaciones para la eficiencia de grupos de pilotes
Nombre Ecuación
⎤⎡⎤⎡ + Dn)1n(n)1n(Ecuación Converse - Labarre
Ecuación Los Ángeles Group Action
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡=θθ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −+−
−=η −
d
DTan
nn90
n)1n(n)1n(1 1
21
1221 (Grados) Donde 
( )[ ])1n(1n2)1n(n)1n(n
ndn
D1 211221
21
−−+−+−
π
−=η
Ecuación Seiler - Keeney 
(Seiler y Keeney, 1994) ( ) ⎥⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
+
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+
−+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−=η
2121
21
22 nn
3.0
1nn
2nn
1d7
d111
Feld (1943) Sugirió un método para determinar la capacidad de carga
de pilotes individuales en un grupo de pilotes en arena cuando solamente se
considera la resistencia e fricción. De acuerdo a esto, la capacidad ultima de
un pilote se reduce en por ceda diagonal adyacente o fila de pilotes.161
C B
d d
C
Planta de grupos de pilotes
A
C
B
B
d
d
C
B
EL pilote A tiene 8
pilotes adyacentes
EL pilote A tiene 5
pilotes adyacentes
d d
EL pilote A tiene 3
pilotes adyacentes
d d
C
A
CB
BB
d d
d
d
C
A
CB
BB
d d
d
d
C
A
CB
BB
d d
d
d
C CB
d
C CB C CB
Tipo de 
pilote
Nº de 
Pilotes
Nº de Pilotes 
Adyacentes/ pilote
Factor de 
reducción para 
cada pilote
Capacidad ultima
cada pilote
A 1 8 0.5Qu
B 4 5 2.75Qu
16
81−
16
51−
Q56Q )(g
Por lo que
C 4 3 3.25Qu16
31−
( )∑ = ugu QQ5.6
%72
Q9
Q5.6
Q
Q
u
u
u
)u(g ===η
∑
CAPACIDAD ULTIMA DE UN GRUPO DE PILOTES EN ARCILLA 
SATURADA
Con referencia a este grupo de
pilotes en arcilla saturada, la capacidad
ultima de carga de un grupo de pilotesg g p p
se estima de la siguiente manera:
• Determine ∑Qu = n1n2(Qp + Qs)
Qp = Ap (9 Cu(p) )
Donde:
Cu(p) : Cohesion no drenada de la
arcilla en la punta del pilote.
Qs= ∑ αpcu∆LQs ∑ αpcu∆L
[ ] CA9n n Q u(p) p21u ∑∑ Δ+= Lpcu
Determine la capacidad ultima suponiendo que los pilotes del grupo
tú bl di i d L B L L i t iactúan como un bloque con dimensiones de Lg x Bg x L. La resistencia
superficial del bloque es:
( )∑∑ Δ+=Δ LcBL2Lcp gggug
Calcular la capacidad de carga de punta:
( )∑∑ gggug
** *
c)p(ugg
*
c)p(uppp Nc)BL(NcAqA ==
( )∑∑ Δ+= LcBL2NcBLQ ugg*c)p(uggu
Variación de Nc* con
L /B y L/BLg/Bg y L/Bg
Compare los dos valores de ∑Qu, el menor de los dos es Q(g)u.
PILOTES EN ROCA
Para pilotes de carga de punta apoyados sobre roca, la mayoría de
los reglamentos de construcción especifican que Qg(u) = ∑Qu, siempre que el
espaciamiento mínimo centro a centro de pilotes sea D + 300mm. Paraespaciamiento mínimo centro a centro de pilotes sea D 300mm. Para
pilotes H o con sección transversal cuadrada, la magnitud de D es igual a la
dimensión diagonal de la sección transversal del pilote.
ASENTAMIENTO ELASTICO DE UN GRUPO DE PILOTES
El asentamiento de un grupos de pilotes bajo carga de trabajo similarEl asentamiento de un grupos de pilotes bajo carga de trabajo similar
por pilote crece con el ancho del grupo (Bg) y el espaciamiento centro a centro
(d) de los pilotes.
Asentamiento de grupos de
pilotes en arena, según
Meyerhof 1961Meyerhof, 1961
La relación mas simple para el asentamiento de grupos de pilotes es:
Donde:
e
g
)e(g SD
B
S =
Donde:
Sg(e) : Asentamiento elástico de grupos de pilotes.
Bg : Ancho de la sección del grupo de pilotes.
D: Ancho o diámetro de cada pilote en el grupo.
Se: Asentamiento elástico de cada pilote bajo carga
de trabajo comparable.j p
Para grupos de pilotes en arena y grava, Meyerhof sugirió la relación
empírica:
D d
601
g
)e(g )N(
IBq2
lg)Pu(S =
Donde:
Lg y Bg: Longitud y ancho de la sección del grupo de pilotes
respectivamente (pies).
(N1)60 : Numero de penetración estándar corregido promedio
dentro del sitio del asentamiento (≈ Bg muy por debajo de la
punta de los pilotes).gg
g
BL
Q
q =
I : factor de influencia.
L : Longitud de empotramiento de los pilotes
5.0
B8
L1I
g
≥−=
En unidades SI
601
g
)e(g )N(
IBq96.0
)mm(S = Donde:
q: esta en kN/m2
Bg y Lg : están en m)m(B8
)m(L1I
g
−=
El asentamiento del grupo de pilotes esta relacionado con laEl asentamiento del grupo de pilotes esta relacionado con la
resistencia a la penetración por la expresión:
IqB Donde:
c
g
)e(g q2
IqB
S =
Donde:
qc : Resistencia promedio por penetración del
cono dentro del sitio del asentamiento.
ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACION
El asentamiento por consolidación de un grupo de pilotes en arcilla seEl asentamiento por consolidación de un grupo de pilotes en arcilla se
estima aproximadamente usando el método 2:1 de la distribución de
esfuerzos. El procedimiento implica los siguientes cálculos
• Sea L la profundidad de penetración de los pilotes. El grupo está
sometido a una carga total Qg. Si el cabezal de los pilotes esta debajo de la
superficie original del terreno Q es igual a la carga total de lasuperficie original del terreno, Qg es igual a la carga total de la
superestructura sobre los pilotes menos el peso efectivo del suelo arriba del
grupo de pilotes removido por la excavación.
• Suponga que la carga Qg es transmitida al suelo comenzando a una
profundidad de 2L/3 desde la partesuperior del pilote. La carga Qg se
reparte según líneas con pendientes de dos líneas verticales a una líneareparte según líneas con pendientes de dos líneas verticales a una línea
horizontal a partir de esta profundidad. Las líneas aa`y bb` son dos líneas
2:1
Asentamiento por consolidación de grupo de pilotes
d
d
Bg
Lg
Qg
Nivel
Estrato de arcilla 1
Freatico
Estrato de arcilla 2a b
2/3L
L1
Estrato de arcilla 3
2v:1H 2v:1H
Roca
Estrato de arcilla 4a` b`
Calcule el incremento del esfuerzo efectivo causado a la mitad de
cada estrato de suelo por la carga Qg
)zL)(zB(
Q
` gi ++
=σΔ
Donde:
∆σi`: Incremento del esfuerzo a la mitad del estrato i.
)zL)(zB( igig ++ Lg , Bg : Longitud y ancho del grupo de pilotes
planificado.
Zi: Distancia de z = 0 a la mitad del estrato i de arcilla.i
Calcule el asentamiento por consolidación de cada estrato causado
por el esfuerzo incrementando.p
e ⎤⎡ Δ
Donde:
∆Sc(i) :Asentamiento por consolidación del estrato i.
i
)i(o
)i(
)i(c He1
e
S
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
Δ
=Δ ∆e(i) :Cambio de la relación de vacios causado por el
incremento de esfuerzo en el estrato i.
e : Relación de vacios inicial de la cada i (antes de laeo : Relación de vacios inicial de la cada i (antes de la
construcción).
Hi: Espesor del estrato i
El asentamiento total por consolidación del grupo de pilotes es:
∑Δ=Δ )i(c)g(c SS
El asentamiento por consolidación de los pilotes se inicia por
rellenos cercanos, cargas de pisos adyacentes y descenso de los
niveles freáticos.