Braja Das Parte 12

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    Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y/o madera, usadospara construir cimentaciones de pilotes, que son profundas y mas caras que las cimenta-ciones superficiales (vease el capitulo 11). A pesar del costo, el uso de pilotes frecuente-mente es necesario para garantizar la seguridad estructural. Las pilas perforadas son pilascoladas en ellugar que generalmente tienen un diametro mayor que 750 mm con 0sin re-fuerzo de acero y con 0 sin un fondo ampliado. La primera parte de este capitulo consideralas cimentaciones con pilotes y la segunda parte presenta un analisis detallado de las pilasperforadas.

    CIMENTACIONES CON PILOTESNecesidad de las cimentaciones con pilotesLas cimentaciones con pilotes se requieren en circunstancias especiales. Las siguientes sonalgunas de estas,

    1. Cuando el estrato superior del suelo es (son) altamente compresible y demasia-do debil para soportar la carga transmitida por la superestructura, se usan pilo-tes para transmitir la carga allecho de roca subyacente 0 a un estrato de suelomas fuerte, como muestra la figura 13.1a. Cuando no se encuentra un lecho deroca a una profundidad razonable debajo de la superficie del terreno, se us an pi-lotes para transrnitir gradualmente la carga estructural al suelo. La resistencia ala carga estructural aplicada se deriva principalmente de la resistencia por fric-cion desarrollada en la interface suelo-pilote (figura 13.1b).

    2. Cuando estan sometidas a fuerzas horizontales (vease la figura 13.1c), las cimen-taciones con pilotes resisten por flexion rnientras soportan min la carga verticaltransmitida por la superestructura. Esta situacion se encuentra generalmente enel disefio y construccion de estructuras de retencion de tierra y en las cimenta-ciones de estructuras altas que estan sometidas a fuerzas severas por viento y/osismo.

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    13.2 Tipos de pilotes y sus caracteristicas estructurales 497a fuerzas de levantamiento. Los pilotes se usan a veces para esas cimentacionesy as! resistir la fuerza de levantamiento (figura 13.1e).

    5. Los estribos y pilas de puentes son construidos usualmente sobre cimentacionescon pilotes para evitar la posible perdida de capacidad de carga que una cimen-tacion superficial podria padecer debido a la erosion del suelo en la superficie delterreno (figura 13.1).

    Aunque numerosas investigaciones, tanto teoricas como experiment ales, han sidoconducidas para predecir el comportamiento y la capacidad de carga de pilotes en suelosgranulares y cohesivos, los mecanismos no son aun plenamente entendidos y tal vez nun-ca 1 0 sean. El disefio de cimentaciones con pilotes se considera como un "arte", result adode las incertidumbres implfcitas en el trabajo con algunas condiciones del subsuelo.Tipos de pi/otes y sus caracteristicas estructura/esSe usan diferentes tipos de pilotes en el trabajo de construccion, dependiendo del tipo decarga por tomarse, de las condiciones del subsuelo y del nivel del agua freatica. Los pilo-tes se dividen en los siguientes tipos: a) pilotes de acero, b) pilotes de concreto, c) pilotesde madera y d) pilotes compuestos.Pi/otes de aceroLos pilotes de acero son en general construidos a base de tubas 0de secciones H laminadasde acera. Los pilotes de tubos se hincan en el terreno con sus extremos abiertos 0cerrados.Las secciones de patfn ancho y las secciones I de acero tambien se usan como pilotes; sinembargo, las secciones H para pilotes son usualmente preferidas porque sus espesmes dealma y patines son iguales. En los perfiles de patfn ancho y vigas I, los espesores del almason menores que los espesores de los patines. La tabla 13.1 da las dimensiones de algunospilotes de acero estandar de secci6n H usados en Estados Unidos. La tabla 13.2 muestrasecciones de tubo seleccionadas frecuentemente usados como pilotes. En muchos casos, lospilotes a base de tubos son rellenados con concreto una vez que han sido hincados.Cuando es necesario, los pilotes de acero son empalmados por soldadura 0pm rema-ches. La figura 13.2a muestra un empalme tfpico con soldadura para un pilote H. Un em-palme tipico consoldadura para un pilote de tubo se muestra en la figura 13.2b.La figura13.2cmuestra un diagrama de empalme de un pilote H por medio de remaches 0pernos.

    Cuando se esperan condiciones diffciles de hincado, tales como a traves de gravadensa, pizarras y roca suave, los pilotes de acero pueden adaptarse con puntas 0 zapatasde hincado. Las figuras 13.2d y e son diagram as de dos tipos de zapatas usadas parapilotes de tubo.Pi/otes de concretoLos pilotes de concreto se dividen en dos tipos basicos: pilotes prefabricados y colados insitu. Los pilotes prefabricados se preparan usando refuerzo ordinario y son cuadrados uoctagonales en su seccion transversal (figura 13.3). El refuerzo se proporciona para queel pilote resista el momenta flexionante desarrollado durante su levantamiento y trans-

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    132 Tipos de pilotes y sus caracteristicas estructurales 499Tabla 13.2 Secciones seleccionadas de tubospara pilotes.

    508

    Espesor Area dede pared acero(mm) (cm ')3,17 21.54.78 32.15.56 37.37.92 52.74.78 37.55.56 43.66.35 49.44.78 44.95.56 52.36.35 59.74.78 60.35.56 70.16.35 79.85.56 806.35 907.92 1125.56 886.35 1007.92 1256.35 1217.92 1509.53 17912.70 238

    Diarnetroexterior(mm)

    219

    254

    305

    406

    457

    610

    Los pilotes coladas in situ (coladas en ellugar) se construyen haciendo un agujeroen el terreno y llenandolo luego con concreto. Varios tipos de pilotes de concreto cola-dos en ellugar se usan actualmente en construcci6n, y la mayoria han sido patent ados porsus fabricantes. Esos pilotes se dividen en dos amplias categonas: con ademe y sin ademe.Ambos tipos tienen un pedestal en el fondo.Los pilotes can ademe se hacen hincando una funda de acero en el terreno con ayu-da de un mandril colocado dentro de la funda. Cuando el pilote alcanza la profundidadapropiada, el mandril se retira y la funda se llena con concreto. Las figuras 13Aa, b , c y dmuestran algunos ejemplos de pilotes ademados sin pedestal y la figura 13Ae muestra unpilote ademado con un pedestal. EI pedestal es un bulbo de concreto expandido que seforma dejando caer un martillo sobre el concreto fresco.

    Las figuras 13Af y 13.4g son dos tipos de pilotes sin ademe, uno sin pedestal y el otrocon pedestal. Los pilotes sin ademe se hacen hincando primero la fund a a la profundidaddeseada y luego llenandola con concreto fresco; entonces, la funda se retira gradualmente.Informaci6n adicional sobre pilotes colados en ellugar se da en la tabla 13.4.

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    13.2 Tipos de pilotes y sus caracteristicas estructurales 501

    f----2D--JPilote cuadrado Pilote octagonal? F O ~ - - - - l.:. ~~~~~-;~:1 - + 1 "- D - - - t 1

    FIGURA 13.3 Pilotes prefabricados con refuerzo ordinario.Tabla 13.3 Pilotes tipicos de concreto presforzado.

    Capacidad de cargade disefio (kN)

    Area de Nurnero de torones Fuerza de Resistenciadel concretola seccion presfuerzo Modulo (MN/m2)

    Forma del D transversal Perimetro diarnetro diametro minimo de seccionpilote* (mm) (crn-) (mm) 12.7 mm 11.1 mm efectivo (kN) (m3 x 10-3) 34.5 41.4S 25 4 6 45 1016 4 4 312 2. 737 55 6 7 780 254 53 6 838 4 4 258 1.786 462 5 55S 30 5 9 29 1 219 5 6 449 4. 719 80 1 9 620 305 76 8 1016 4 5 36 9 3.09 7 662 795S 35 6 1265 1422 6 8 610 7 .489 1091 1 3100 356 1 045 1168 5 7 5 03 4. 916 901 1082S 406 1652 1626 8 11 79 6 1 1.19 2 1 425 17100 406 1368 1346 7 9 6 58 7 .341 1180 1416S 457 20 90 1829 10 13 1010 1 5.92 8 18 03 21 630 457 1 729 1524 8 11 836 1 0.45 5 1491 1790S 5 08 25 81 20 32 12 16 124 5 21. 844 2 226 26 720 508 2136 1677 10 14 1032 1 4.35 5 1842 223 9S 5 59 31 23 22 35 15 20 150 8 29. 087 2 694 3 2320 559 2587 1854 12 16 1250 1 9.10 7 223 1 267 8S 61 0 36 58 24 38 18 23 179 3 37 .756 3155 3 7860 610 307 8 2032 15 19 1486 34. 794 265 5 318 6

    * S = seccion cuadrada; 0 = seccion octagonalT . - - - . - - - Toron presforzado Estribo de alambre _ _ . . . - . - , T, . . _I \I D1

    I Estribo de alambre I

    1I . 1I Toron presforzado. _ - _ . _ - - - ' - - - - " " - /

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    13.2 Tipos de pilotes y sus caracterfsticas estructurales 503Tabla 13.4 Descripciones de los pilotes colados en ellugar mostrados en la figura 13.4.

    Parte en lafigura 13.4 Nombre del pilote

    30Raymond Step-Taperb Monotubo de Uni6n

    Metalicacd

    Western con ademeTubo sin costura 0ArmcoPedestal ademado tipo FrankiWestern sin ademe, sinpedestalWestern Franki sin ademe

    efg

    Tipo de ademeProfundidad usualmaxima del pilote

    (m)

    Ademe cilindrico delgadocorrugadoAdeme de acero delgadoahusado hincado sinmandrilAdeme de lamina delgadaAdeme de tubo recto de aceroAdeme de lamina delgada

    40

    30-4050

    30-4015-2030-40

    sario, este se hace usando camisas de tuba (figura 13.5a)0 fajas metdlicas y pernas (figu-ra 13.Sb) . La longitud de la carnisa de tuba debe ser por 10menos S veces el diametro delpilote. Los extremos a tope deben ser cortados a escuadra de tal manera que se manten-ga un contacto pleno. Las porciones empalmadas deben ser cuidadosamente desbastadasde manera que se ajusten estrechamente al interior de la camisa de tubo. En el caso de

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    SoleraCamisa metalicametalica Extremos cortadosExtremos a escuadracortados aescuadra

    Solerametalica

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    (a) (b)FIGURA 13.5 Empalme de pilotes de madera: (a) uso de camisasde tubo; (b) uso de soleras metalicas y pernos.

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    13.2 Tipos de pilotes y sus caracteristicas estructurales

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    13.3 Estimaci6n de la longitud de un pilote 507

    '.'. -

    L Suelodebil

    S ] t ~ ~ ~ } W E ~ (;~:i~f~~~~QI I~Qp(a )

    Q, Suelot debilde suelofuerteo ,

    QI I~QpLb = pro fundi dad de penetraei6n

    en el estrato de earga(b )

    F IGURA 13.6 (a) y (b) Pilotes de punta; (e) pilotes de fricci6n.

    Q,t Suelodebil

    del estrato duro (figura 13.6b). Los pilotes con pedestales se construyen sobre ellecho delestrato duro, y la carga ultima del pilote se expresa como

    (13.1)donde Qp = carga tomada en la punta del piloteQs = carga tomada por la fricci6n superficial desarrollada lateralmente en el pi-lote (causada par la resistencia cortante entre el suelo y el pilote)Si Qs es muy pequefia, entonces

    (13.2)En este caso, la longitud requerida para el pilote se estima exactamente si se dispone delos registros apropiados de la exploraci6n del subsuelo.

    Pi/otes de fricci6nCuando no se tiene un estrato de roca 0 de material rocoso a una profundidad razonableen un lugar, los pilotes de punta result an muy largos y antiecon6micos. Para este tipo decondici6n del subsuelo, los pilotes se hincan a traves del material mas blando a profundi-dades especificas (figura 13.6c). La carga ultima de esos pilotes se expresa par la ecuaci6n(13.1). Sin embargo, si el valor de Qp es relativamente pequefio,

    (13.3)Esos pilotes se Haman pilotes de friccion porque la mayorfa de la resistencia se obtiene dela fricci6n superficial. Sin embargo, el termino pilote de friccion, aunque usado frecuente-

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    SBX ; )l ' JU I 'jBuOJ jB lU ;) jU I PUOUIAB< I- < IA;)Sl;)[M;)N 'rl;)l-UBlU;)I){::lW-l){W

    BP llOl d 'S )] 10 1\ \ u or] uB JjnA -A *tl tl OT ; lj qOp U91 :J :JY ;)-0 AII OU II ; lj qOp u9 I: J: JY s- o DIWII < ;6 9 l ; lTqoP u9I:J :JY mu DIW9

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    13.5,

    13.5 Mecanismo de fa transferencia de carga

    Tabla 13.7 Lista parcial de martinetes diesel tipicos.Golpes

    Fabricante del Modelo Energia nominal por Peso del pistonmartinete* no. (kN-m) minuto (kN)

    K K150 379.7 45-60 147M MB70 191.2 -86 38-60 71K K-60 143.2 42-60 59K K-45 123.5 39-60 44M M-43 113.9 -51.3 40-60 42K K-35 96 39-60 34MKT DE70B 85.4 -57 40-50 31K K-25 68.8 39-60 25V N-46 44.1 50-60 18L 520 35.7 80-84 23M M-14S 35.3 -16.1 42-60 13V N-33 33.4 50-60 13L 440 24.7 86-90 18MKT DE20 24.4 -16.3 40-50 9MKT DE-IO 11.9 40-50 5L 180 11.0 90-95 8

    509

    *V- Vulcan Iron Works, FloridaM-Mitsubishi Intemational CorporationMKT-McKieman-Terry, New JerseyL-Link Belt, Cedar Rapids, IowaK-Kobe Diesel

    Las tablas 13.6 y 13.7 present an una lista de los martinetes comerciales disponiblesde simple acci6n, de doble acci6n, diferenciales y dieseL

    En el hincado de pilotes, cuando el pilote necesita penetrar un estrato delgado desuelo duro (como una de arena y grava) que se encuentra sobre una cap a de suelo masblando, se usa en ocasiones una tecnica llamada de chorro de agua. En este caso, el aguaes descargada en la punta del pilote por un tubo de 50 a 75 mm de diametro para lavar yaflojar la arena y la grava.

    Con base en la naturaleza de su colocaci6n, los pilotes se dividen en dos categorfas:con desplazamiento y sin desplaramiento, Los pilotes hincados son pilotes con desplaza-miento porque mueven parte del suelo lateralmente; por ello existe una tendencia a ladensificaci6n del suelo a su alrededor. Los pilotes de concreto y los de tuba de extremo ce-rrado son pilotes de gran desplazamiento. Sin embargo, los pilotes H de acero desplazanmenos suelo lateralmente durante su hincado, por 10 que son pilotes de bajo desplazamien-to. En contraste, las pilas perforadas son sin desplazamiento porque su colocaci6n causamuy poco cambio en el est ado de esfuerzos en el suelo.

    Mecanismo de la transferencia de cargaEI mecanismo de la transferencia de carga de un pilote al suelo es complicado, Para en-tenderlo, considere un pilote de longitud L, como muestra la figura 13.7a. La carga sobre

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    (p)(~) dO (~)

    II IIllUOZ BUOZ

    j;)P Blund ' 0 1 1 7

    U9IJ:lIlJ"0 ; ) P BUBllUnBlJU;)lSIS;)(_[

    ( q )(tl)1-'0 " I _ dO- - - - - j Z oI - z o - j

    C D

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    sepesoped se/!d If Si3:j.OI!d 'sepunjoJd seuopeiueuiry El 0 L

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    13.6 Ecuaciones para estimar fa capacidad de pifotes 511el pilote es increment ada gradualmente de 0 a Q(z=O) en la superficie del terreno. Parte deesta carga sera resistida por la friccion lateral desarrollada a 10 largo del eje, Ql' y partepor el suelo debajo de la punta del pilote, Q 2 ' Ahora, l,como estan Q 1 y Q 2 relacionadoscon la carga total? Si se efectiian mediciones para obtener la carga tomada por el fustedel pilote, Q(z) , a cualquier profundidad z, la naturaleza de la variacion sera como la cur-va 1 de la figura 13.7b. La resistencia friccional por area unitaria, fez), a cualquier profun-didad z se determina como

    AQ( z )f e z ) = (P) (Az) (13.4)

    donde p = perimetro de la seccion transversal del pilote. La figura 13.7c muestra la varia-cion de fez) con la profundidad.Si la carga Q en la superfice del terreno se incrementa gradualmente, la resistenciafriccional maxima a 10 largo del fuste del pilote sera totalmente movilizada cuando el des-plazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea aproximadamente de 5 a 10mm, indepen-dientemente del tamafio del pilote y de su longitud L. Sin embargo, la resistencia maximade punta Q 2 = Qp no sera movilizada hasta que la punta se haya movido aproximada-mente 10 a 25% del ancho del pilote (0 diametro), Ellirnite inferior se aplica a piloteshincados y ellirnite superior a pilas perforadas, Bajo la carga ultima (figura 13.7d y cur-va 2 en la figura 13.7b), Q(z=O) = Q u- Entonces,

    Q1 = QsyQ 2 = Qp

    La explicacion anterior indica que Qs (0 la friccion superficial unitaria, f, a 10 largo delfuste del pilote) se desarrolla bajo un desplazamiento mucho menor del pilote comparadocon la resistencia de punta, QrBajo carga ultima, la superficie de falla en el suelo en la punta del pilote (falla por ca-pacidad de carga causada por Q p ) es como la mostrada en la figura 13.7e.Note que las ci-mentaciones con pilotes son cimentaciones profundas y que el suelo falla principalmente enmodo de punzonamiento, como se ilustro previamente en las figuras 11.2c y 11.3. Esto es,una zona triangular, I, se desarrolla en la punta del pilote, que es empujada hacia abajo sinproducir ninguna otra superficie de deslizarniento visible.En arenas densas y suelos arcillo-sos duros, una zona cortante radial, II, se desarrollan parcialmente. Por consiguiente, lascurvas de desplazarniento de carga de pilotes se pareceran a las mostradas en la figura 11.2c.

    13.6 Ecuacionespara estimar fa capacidad de pi/otesLa capacidad de carga ultima de un pilote, Q", esta dada por una simple ecuacion como lacarga tomada en la punta del pilote mas la resistencia total pm friccion (friccion super-ficial) derivada de la interface suelo-pilote (figura 13.8),0

    (13.5)donde Q p = capacidad de carga en la punta del pilote

    Qs = resistencia por friccion

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    u9pU 10U u '1 uu~qum:> ":,N A b*N' ~N cp SglO IU A so] U g~q ~S '91 u9~ :>umg U I U U UllO J uclU nW ~S U 9pumg sun rod escrdxc gS ,d b 'oiopd PP mund BI U g U pU nO llU Sgp uumrun U gl?rod U UlllID nroucrstsar u I 'O ;3JuqW g u~S supunJo ld uos soiopd uoo SgUO~ :>B lUgU l ~:>u '1

    'puptptmjo.rd A UW 10J op SO~lUS-coou SgJO puJ sO l U gA npU ~ onb Ui l lU:>gp peptoadeo op SglO pU J so j U OS~N 1i.~:N '~iNgpUOP

    o uro o (IU :> qlgA U illU :> B 1U d) nopujdao 19 uc upuponj Sg lu ~ :> ~ J1gdn s SgUOqU - 1UgU l ~:>Ug U i llU :> gp pnptoudao ul urad IB lgugil tro rounoo U '1 o nojrujdeo 19 u c u puz~ lu UU gn J S gIU ~ :>~ J1 gd ns S gU O ~JU lU gW ~ J gp uW ! lID uilJU J op psproadeo u'1

    -soiopd so] gp u lIT !llD paptondeo UI1UUTUl lg lgp cp eurojqo.rd IUU9~JUUl lO~ nap sotpruso S OS 3: (18 61) 0n glS U ;) Ii. g lIi.O ;) Ii. (9L61) JOqlgAgW ' (LL61) J~SgArod sopeuotorodcrd OP!S traq S gUOpU il!lS gAU ~ SB Sg gp ssqonur op S gU gWDS gl S glU g P:> X 3:o S O Ii . d O gp S glO IU A S Ol gp U 9~ JU U ~W JgN P BIorqos uman sopnoqqnd sotpruso soscroumjq

    oglOTId un g p B lllllH lUBlB:J cp pBpm?duJ 80ft tfHn91:l

    U'BolB:J op oiansoP u~ oiuauuanodmo ~ppruuiuo] = Q '1

    oruonnauodma ~P pnnfiuo] = '1d O

    n O

    sepeioped sel!d If sa:j.of!d -sepunjosa seuopeiueiur) [l lL5

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    13.6 Ecuaciones para estimar fa capacidad de pi/otes 513

    usada en este capitulo para el ancho del pilote es D. Por tanto, sustituyendo D por B enla ecuacion (13.6) da

    qu = qp = cN ~ + qN q + yDN ~ (13.7)Como el ancho D de un pilote es relativamente pequefio, el termino yDN '~ se cancela enellado derecho de la ecuacion anterior sin introducir un serio error, 0

    (13.8)Note que el termino q ha sido reemplazado por q' en la ecuacion (13.8) para significar unesfuerzo vertical efectivo. Por tanto, la capacidad de carga de la punta del pilote es

    (13.9)

    donde Ap = area de la punta del pilotec = cohesion del suelo que soporta la punta del pilote

    qp =esistencia de la punta unit ariaq' = esfuerzo vertical efectivo al nivel de la punta del pilote

    N~,N q =factores de capacida de cargaExisten varios metodos para calcular la magnitud de qp ' En este texto, sera usado el

    metodo sugerido por Meyerhof (1976).Capacidad de carga de un pilote de punta en arena En arena, la cohesion c es iguala O . Entonces la ecuacion (13.9) toma la forma

    (13.10)La variacion de N'q con el angulo de friccion del suelo, 1 ;, se muestra en la figura 13.9. Me-yerhof sefialo que la capacidad de carga de punta, qp ' de un pilote en arena generalmenteaumenta con la profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo y alcanza un valormaximo para una razon de empotramiento de LblD = (LbID)cr- Note que en un suelo ho-mogeneo, Lb es igual a la longitud real de empotramiento del pilote, L (vease la figura 13.8).Sin embargo, en la figura 13.6b, donde un pilote ha penetrado en un estrato de apoyo, Lb

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    'B::lUjlzornoll BU::llB BUn U::l eumd ::lp BllBl!UnB1:)U::llSlS::l1 B] ::lp u91:)BllBA oi 'ei 'rIHn9ld

    db 'uiund::lp auauun .. _L- ~B1:)U::llSlS::l([

    . b . N 'JOll l: :lA::lW op BZ1B:) cp PBPl:)BdB:) d P .10PBtI . 6'Et 'rIHn91d(sopars) c p 'ojons PP u91:):)1.l]::lP o]n' iluy

    ~ 1 7 0 1 7 O O Z O T

    /VV/V/////V/L///

    //V

    o TZ

    1 798O T

    O Z

    0 1 7 " " ' < ,*0 90 8O O T

    O O Z

    0 0 1 70 0 90 0 8O O O T

    sepeioped se/!d ,{ Si3:tol!d 'sepurucud Si3UOpeWi3wD El 1 7 ~ S

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    13.6 Ecuaciones para estimar fa capacidad de pifotes 515Con base en observaciones de campo, Meyerhof (1976) tambien sugirio que laresistencia ultima de punta, q p ' en un suelo homogeneo granular (L = Lb) se obtiene delos mimeros de penetraci6n estandar como

    2 _ Lq p (kN/m ) - 40Nco r D < 400Ncor (13.13)donde Ncar = mimero de penetraci6n estandar promedio cerca de la punta del pilote(aproximadamente 10D arriba y 4D abajo de la punta del pilote).Capacidad de carga de un pilote de punta en arcilla Para pilotes en arcillas satura-das en condiciones no drenadas ( = 0),

    (13.14)

    donde Cu = cohesion no drenada del suelo debajo de la punta del pilote.

    Resistencia par fricci6n, QsLa resistencia por friccion 0 superficial de un pilote se escribe como

    (13.15)

    donde p = perimetro de la seccion del piloteAL = longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consider an constan-tes (figura 13.lla)f = resistencia unit aria por fricci6n a cualquier profundidad z

    j_ilLT

    (a )

    Resistencia~-----""T""-'" unitaria porfriccion.j"

    1Profundidad

    FIGURA 13.11 Resistenica unitaria de friccion para pilotes en arena.(b )

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    'oiuoturezajdscp ofnq gp SOpB;:m~qsoiopd BlBd lBPU~qSg trotoanoucd Bl B BPUglS~Sgl Bl gp orpourord 101BA = lOJN gpUOP(81'n)

    otnoo otpourord repumso U9~:JB1NUgd Bl B B~:JUgl-S~Sgl Bl gp SglOlBA so] cp gUgqqo os onrcmrezetdscp ollB gp SOpB:JU~q soiopd B1Bd , w o . t d j'otpourord B~lBl~un u9~:J:JPJ rod B~:JUglS~Sgl Bl onb 9:J~pu~ u7~qmBl ( 9L61) JOq1gAgW

    0 g gp 101BA 19 19~O:)Sg IB otorn] ugnq osrasn gqga1>80B 1 > s ; 0 0 gp ofiuar 19 uo lBlSg uooamd SglOPBil~lSgAU~ SOpBA 8p 9 cp SglOlBA soq

    onb rouodns Sg BlOPBAlgSUOJ uotceumso BUn BAqBlgl peptondmoo Bl A PBP~Hq-tsarduroo Bl 'ojons 19p U9~JJPJ op Oln~U5? 19 otnoo 'SglOPBJ SO~lBAgp opucdcp c ,7 'BJqJ1Jpeptptrnjord BlSa qUon BJn~!J Bl unscnur ouroo 'S7ndsgp glUBlSUOJ oootramrod A oiond18P soricurarp O Z B S ;1 op PBP~pUnJOld Bun B om~x5?m gl~mJl un B1SBq oiopd 19p pBp~punJ-ord Bl UO:)BlUgUUlB (91'Sl)U9~JBmg Bl uo osresn rod ' 0,D

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    13.6 Ecuaciones para estimar fa capacidad de pifotes 517

    Resistencia por iriccion en arcilla Se dispone de varios metodos para obtener la resis-tencia unitaria por friccion (0 superficial) de pilotes en arci11a.Tres de los procedimientosactualmente aceptados se describen brevemente a continuacion.

    1. Metoda A : Este fue propuesto por Vijayvergiya y Focht (1972). Se basa en la hi-p6tesis de que el desplazamiento del suelo causado por el hincado de los pilotesresulta en una presion lateral pasiva a cualquier profundidad y que la resisten-cia unitaria superficial promedio es

    (13.21)

    donde (j~= esfuerzo vertical efectivo medio para toda la longitud de empotramientoCu = resistencia cortante media no drenada (1 ) = 0)

    EI valor de A cambia con la profundidad de la penetracion del pilote (vease lafigura 13.12). La resistencia por fricci6n total se calcula como

    Q s = pLfpromDebe tenerse cuidado al obtener los valores de C i ' o Y c" en suelo estratifi-

    cado. La figura 13.13 ayuda a explicar la raz6n de esto. De acuerdo con la figu-ra 13.13b, el valor medio de C'l es (cu(l)Ll + c"(2)L2 + )IL. Similarmente, la fi-gura 13.13c muestra la grafica de la variacion del esfuerzo efectivo con la pro-fundidad. El esfuerzo efectivo medio es

    _ At +A2+A3 + ...(J"' = - -- -- -- --a L (13.22)donde A1,A2, A3, ... = areas de los diagram as del esfuerzo vertical efectivo.2. Metoda e x : S eg u n el metoda e x , la resistencia unitaria superficial en suelos arci-llosos se representa por la ecuaci6n

    t=ac; (13.23)donde e x = factor empfrico de adhesi6n. La variaci6n aproximada del valor de e xse muestra en la figura 13.14. Note que para arcillas normalmente consolidadascon Cu $; aproximadamente 50 kN/m2 , tenemos e x = 1. Entonces,

    (13.24)

    3. Metoda { 3 : Cuando los pilotes son hincados en arcillas saturadas, la presion deporo del agua en el suelo aumenta alrededor de los pilotes. Este exceso de pre-sion de poro en arcillas normalmente consolidadas es de 4 a 6 veces CU. Sin em-bargo, en un lapso aproximado de un mes, esta presi6n se disipa gradualmente.

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    o 'osodor Ug Bllgq op uorscrdop glUg~:J~po:J 19 OUlO:JX op prunnieur BIlBIll:JIB:J souropod 'glUgUlBlOPBAlgSUO;)

    arron gp uorscrd gp glUg~:J~pO:J=JBPBgPIOUlgl BlTI:JlBBlop BPBUglP U9~:J:J~lJop 0ln~u~ = I!~ r p UBlX = [j

    'peprpunjord rcmbpano B 'Sg:JUOlu3"(0 = :J) OPUgPIOUlgl 0PUlSg un no UlTI:JlBBI gp OA~pgp ozranjso op sorrouraredsOTno osaq UO:J UU~Ullglgp cs oiojtd [op U9~:J:J~lJrod B~:JUglS~SglBl 'OlUBl lOd

    " ( 1 7 L 6 1 'PUB ll; )l J~W U1 )1 3< ls )o io pd I

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    13.6 Ecuaciones para estimar fa capacidad de pifotes 519

    ,.--...,----- Cohesi6n nodrenada, Cu

    Ls

    - - l - - - - - - t - - - - '(a )Profundidad

    (b)

    Esfuerzoverticalefectivo, (/0

    Profundidad(c )

    FIGURA 13.13 Aplicaci6n del metodo A en suelo estratificado.

    o~--~--~--~--~--~--~50 100 150 200 250 300Cohesi6n no drenada, Cu (kN/m2)

    FIGURA 13.14 Variaci6n de 0 con la cohesi6n nodrenada de la arc ilia.

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    ill . _ 000 I x 000 I _ dz 6160 0 - ~O x ~O - Vlill/WI 910l = (ZI)(S91) = 7P lv = .b

    'S;:KlUOlU3 Oll ""~N 'o~ = 1 > BIBd 7 = q7 onb oj rod '0

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    13.6 Ecuaciones para estimar fa capacidad de pifotes 521Q p = Apq 'N i ; = (0.0929)(20l.6)(120) = 2247.4 kN

    Sin embargo, de la ecuaci6n (13.12), tenemosq/ = 50Ng tan = 50(120) tan 35 = 420l.25 kN/rnZ

    por 10 queQ p = Apq / = (0.0929)(420l.25) = 390.3 kN

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    WI t~1 = (9I)(8~t0 x t ) (09)(LL'0) = S oI . . LL'O " " ~ 'zUl/~ 09=n;) urad 171 '1Bln'3q BT~P O!P~UlOld BJ!Hn'3 BT~a

    7dn;)~= S o' ( tZ"1) I . . (z'1) souoroenoc SBT

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    13.6 Ecuaciones para estimar fa capacidad de pifotes 523b. De la ecuaci6n (13.21),

    Se da L = 16.0 m. De la figura 13.12 para L = 16 m, 'A " " 0.2, por 10 quejprom = 0.2 [( 18 ~ 16)+ 2(60) J = 52.8 kN/m2Qs = pL/prom = (4 X 0.458)(16)(52.8) = 1548 kN

    Como en la parte a, Q p = 113.3, por 10 queQ = Q p + Qs = 113.3 + 1548 = 332 kNadm FS 5

    EJEMPLO13.4 En la figura 13.16a se muestra un pilote hincado en arcilla. El pilote tiene un diametro de406 mm.

    a. Calcule la capacidad de carga de punta neta. Use la ecuaci6n (13.14).b. Calcule la resistencia superficial 1) usando las ecuaciones (13.23) y (13.24) (metodo0:),2) usando la ecuaci6n (13.21) (metodo 'A ) y 3) usando la ecuaci6n (13.25) (me-todo ( 3 ) . Para todos los estratos de arcilla, C P R = 30.Los 10 m superiores de arcillaestan normalmente consolidados. El estrato inferior de arcilla tiene una OCR de 2.c. Estime la capacidad neta admisible del pilote. Use un FS = 4.

    A l = 2251-----"905mA 2 =552.38

    10m

    (J~= ( kN /m2 )

    30m '---------'326.75(a )FIGURA 13.16

    (b)

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    lUI/WI 01 = ( _ Z _ ) (0 0 U lll)(o OU;)S - r) =06 + 0(u/o'l(f)~f)lI U l ll( II U ; )S _ r) = (j)UIO.'dj'[(6n::l) uotocnoc] UI S-O = Z llllld00 = ~ c p I i . . BPBPITOSUO;)glU~HU[BUI10U?lSg (UI 01) BHplll cp roucdns oransc EI ( )

    1 _f) V + l V + IV - 1-

    ' (ZZ1) U9~;)Bmg B[ ga pllp~pUnJOld B[ UO;)[ll;)!llgA OA~l::>gJgozronjsc PP U9~;)B~lllAB[ B1Bd BUIlll1lll~P P Q9l"O Bm1l~J B[ uo BrnQ~p gS ~. Q gp otpotnord lO[BA P 19U9lqO lllBd

    W I. Z'8S91 = SSLlI + L Z 8 : =OZ[(90t ' -0)( . l l . ) ](OOr)(SO) + o [ [( 90t 'O ) (. ll. ) ]( 0 )( 0 =

    OZ[(90t 'O) ( . l l . )](l) ";)(;0 + 0 [[(90t,-0)(. l l . )](1)'';) 1;0= S o'Sg;)UOlU3 SO= Z;o

    ~zUI/N)[ 001 = (z),,;) 'ojons gp lO~lg~ oransa [g B1Bd 'glUgUI1BTIUI~S01= 1;0 ' -pro Bmi3q B[op O~pgUI01d B::>q~li3B[ UO;)opronoa ga zUI/N)[ O = (1)";)'ojons gp rouodns oranso [g Bllld

    seperoped sel!d If sa:tol!d -sepuniout seuooeiueiuty Et 1 7 Z 5

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    13.7 Capaeidad de earga de pilotes de punta deseansando en roea 525

    Similarmente, para z = 5 -10 m, (90 + 130.95) 2/ p r o m ( 2 ) = (1 - sen 30')(tan 30 ) 2 =31.9 kN/m

    Para z = 10-30 m [ecuaci6n (13.30)],/ p r o m =1 - senlh)tan R JOeR 0 " ; ( p r o m )

    Para OCR = 2" " 0 ) r : : : :2(130.95 + 326.75) 9343 kN/--_?/ p r o m ( 3 ) =(1- sen 30 ,(tan 30 YL 2 =. lIT

    Entonces,Qs = p [ / p r o m C J ) ( 5 ) + / p r o / l 1 ( 2 ) ( 5 ) + / p r o m ( 3 ) ( 2 0 ) ]= (11")(0.406)[(13)(5)+ (31.9)(5) + (93.43)(20)] = 2669.7 kN

    Parte c: Calculo de la capacidad neta ultima, Q u La comparaci6n de los tres valores deQs muestra que los metodos a y A dan resultados similares. Usamos entoncesQ =1658.2 + 1777.8 '" 1718 kNs 2

    Entonces,Q l I = Q p + Qs = 116.55 + 1718= 1834.55 kN

    Q = Q lI = 1834.55 = 458 6 kNad m FS 4 Capacidad de carga de pi/otes de puntadescansando en rocaAlgunas veces los pilotes son hincados hasta un estrato subyacente de roca. En tales ca-sos, el ingeniero debe evaluar la capacidad de carga de la roca. La resistencia ultima depunta unit aria en roca (Goodman, 1980) es aproximadamente

    (13.32)

    donde N = tan? (45 + /2)qll.R = resistencia a compresi6n simple de la roca = angulo de fricci6n drenada

    La resistencia a compresi6n simple de la roca se puede determinar por pruebas de labo-ratorio en especfrnenes de roca recolectada durante investigaciones de campo. Sin embar-

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    Ot:- sz Touul lWO~-Ot l lUB1DOZ-OT BllBZldOt-O l lZ!lB:J B_rp;:lId~t-LZ B:JSlU;:llV

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    E J E M P L O13.5

    13.8 Asentamiento de pilotes 527

    Un pilote H con una longitud de empotramiento de 26 m es hincado en un estrato de ar-cilla blanda y descansa sobre una arenisca. La arenisca tiene una resistencia a compresi6nno confinada de 76 MN/m2 y un angulo de fricci6n de 28. Use un factor de seguridad de5 y estime la capacidad de carga de punta admisible dado Ap = 15.9 X 10-3 m-.Soluci6n De las ecuaciones (13.33) y (13.34),

    {[ ~][ tan 2 ( 45 + ~ ) + I]} ApQp(adm) = FS

    {[76 X 10;kN/m2 J ltan2 (45 + ) + In (15.9 X lO-3m2)5

    = 182 kN Asentamiento de pi/otesEl asentamiento elastico de un pilote bajo una carga vertical de trabajo, Q "" se determinapor tres factores:

    S, = Se(l) + Se(2) + Se(3) (13.35)donde S; = asentamiento total del pilote

    Se(l) = asentamiento del fuste del piloteSe(2) = asentamiento del pilote causado por la carga en la punta del piloteSe(3) =asentamiento del pilote causado por la carga transmitida a 10largo del fustedel pilote

    Determinacion de Se(1)Si el material del pilote se supone elastico, Ia deformaci6n del fuste del pilote se evahiausando los principios fundament ales de la mecanica de materiales:

    (13.36)

    donde Qwp = carga tomada en la punta del pilote bajo condici6n de carga de trabajoQws =carga tomada por la resistencia de fricci6n (superficial) bajo condici6nde carga de trabajoAp = area de la secci6n transversal del piloteL = longitud del piloteEp = m6dulo de elasticidad del material del pilote

    La magnitud de ~ depende de la naturaleza de la distribuci6n de la fricci6n unitaria (su-perficial) a 10largo del fuste del pilote. Si la distribuci6n de f es uniforme 0 parab61ica,

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    ' ;)lOlld I;)P oistu PP o fi ll ll O l ll ( ll lJ :l gl ;) dn s ) u g r:: l:: lU J .rodm ramm llI ::lU ;) lS IS ;)llll ; )P u gl::ln qU lslp ;) P so dn SOU llA Lt Oft 'ttHn91d

    (a ) (q)

    L9'O = ~

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    ootndtno glUg~;)qgO;) = d : . Joiopd pp Blund op Blli~W) B~;)UglS~Sgl=db gpUOP

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    ~8'0""B~;)Ugn1JU~cp lOpUJ =~11Olgns Igp UOSS~Odcp U9~;)BPl =rioiopd [op mund B J gp oleqop 0 Ug ojons Igp PBP~;)PSBP gp ojnpour = s'g

    dV/M( j = oiojrd Igp mund BI gp B~lBl~un Bgl~ rod mund BI uo B~lB;) = dMboiopd jop o.nourarp 0 Oq;)UB = a gpUOP

    ourooescrdxc os glS51op nnmd BI uc npauroi B~lB;) BllOd OpBSnB;) oiopd un cp oiuoturmuasa 13.

    ' (LL61 ';)~SgA) L9'O glUglliBpmU~xOldB so ~ op prumsem BI '(;)L 1'1Bm~~J) j gp lBI-nsuern uotonqtnstp BUn B1Bd 'O~lBqllig u~S SO = ~ 'q I i . . BL1':1sBm~q SBI transonm ouroosepeJojJad se/!d A saJol!d -sepurucui sauopeJuawD El 8lS

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    13.8 Asentamiento de pilotes 529

    Tabla 13.10 Valores tipicos de Cp recomendados par Vesic(1977) [ecuaci6n (13.38)].Tipo de suelo Pilote hincado Pilote barrenadoArena (densa a suelta) 0.02 -0.04 0.09 -0.18Arcilla (firme a blanda) 0.02 -0.03 0.03 -0.06Limo (denso a suelto) 0.03 -0.05 0.09 -0.12

    Determinacion de Se(3)El asentamiento de un pilote causado par la carga tomada a 10 largo del fuste del piloteest a dado par una relaci6n similar a la de la ecuaci6n (13.37),0 bien

    (13.39)

    donde p =perfmetro del piloteL=ongitud empotrada del piloteIw s = factor de influencia

    Note que el termino Qw/pL en la ecuaci6n (13.39) es el valor promedio de f a 10 largo delfuste del pilote. El factor de influencia, Iws, tiene una relaci6n empfrica simple (Vesic,1977):Iws= 2 + 0.35 J ~ (13.40)Vesic (1977) tam bien propuso una relaci6n empirica simple similar ala ecuaci6n

    (13.38) para obtener Se(3):

    (13.41)

    donde Cs = constante empirica = 0.93 + 0.16 JL ID)Cp.Los valores de Cp par usar en la ecuaci6n (13.41) se estiman de Ia tabla 13.10.

    (13.42)

    EJEMPLO13.6

    Un pilote de concreto prefabricado de 12 m de longitud esta totalmente empotrado enarena. La secci6n transversal del pilote mide 0.305 X 0.305 m. La carga admisible para elpilote es de 337 kN, de los cuales 240 kN son contribuidos por la fricci6n superficial. De-termine el asentamiento elastico del pilote para Ep = 21 X 106 kN/m2, E, = 30,000 kN/m2Y / - t s = 0. 3 .Solucion Usamos la ecuaci6n (13.35):

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    -aau!2uJI 19p BlnUI19J BPBUIBll glUgUIUllUIQ;) 'SB;)~UI~U~PSgUO~;)Bmg sarourud SBI gp BUrr'BPBU~UIlgNPgld peptpunjord BI B OPOl;)BJS~lBSB'31B;)op 10lBA un OPBZUB;)IBBq oiond 19~srermnrotop B1Bd OdUIB;)19 tro glUgUIBHdUIB uesn cs SB;)~UI~U~PSgUO~;)Bmg SBSg 'OPB;)U~q19onmrnp ciopd un gp BllT!llll PBP~;)BdB;)BI1BlmIB;) B1Bd SBPBllOllBSgp uoronj SgUO~;)BmgSBpBA 'UQZBl BlSg 10d 'UBPBA ojcns 19p sopjrod SOl onbrod BPBU~lglgpgld pnptpunjordBun B oiopd un OPB;)U~qpcnrerpom oqocjsnas crdurors 19S opond ou onsmbcr glsg 'B;)-01 ap oranso un UO;)0PBlUO;) glUg~;)gns 19U9l 0 glUgUIglUg~;)gns OSUgp ojons cp OlB1lSgPranouad oqop mund rod B'31B;)op oiopd un 'BPBgSgp B'31B;)cp PBP~;)BdB;)BI1BllOllBSgp B1Bd

    mm 6"01 = 18'0 + Z '8 + 8t'l ='Sso IBlOl OlUg~UIBlUgSBP 'glUg~n'3~suQ;) 10d

    (000'0) (zO (~ O'O X J L )UIUI 18'0 = ill 18000'0 = ( Z ' V ) ( '0 - 1) -- = (lSz ~O'O O V Z

    UIUI '8 - ill 800'0 - ( '0)( ' - ) [ 000'0 ] = (o)'SZ - Z - ~8 0 0 I ( ~O 'O) (L ' ZvOO

    (~O'O) dVill/WI e Z vO I = 0 =_ = dM bz L6 d" 'O~8'O ="t

    '(Ln:1) U9~;)Bmg BI gaUIUI 8t'l = ill 8 1 7 100'0 = (90I X I zM ~ o'o) - (j)Sz I [ (OvZ) (9 'O) + L6] -

    saouoruq ' dN) { 901 X IZ = dg A 9'0 = ~ BgSd dg V _ (Il'7("M01 + dMO ) - S

    '(9'1) U9~;)Bmg BItsepeiopea send If sa:j.ol!d -sepuruou: seuooeiueuuy EL O E S

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    13.9 Formulas para el hincado de pilotes 531ring News Record (ENR) , se deriva de la teona del trabajo y la energia; esto es,

    energfa impartida por el martinete por golpe= (resistencia del pilote) (penetracion por golpe del martinete)

    De acuerdo con la formula ENR, la resistencia del pilote es la carga ultima, Q", expresadacomo

    (13.43)

    donde WR =peso del martineteh =altura de cafda del martineteS = penetracion del pilote por golpe del martineteC=una constante

    La penetracion del pilote, S, se basa usualmente en el valor promedio obtenido enlos ultimos golpes de hincado. En la forma original de la ecuacion, se recomendaron lossiguientes valores para C:Para martinetes de graved ad: C = 2.54 cm (si las unidades de S y h estan encentfmetros)Para martinetes de vapor: C = 0.254 m (si las unidades de S y h estan encentimetres)

    Un factor de seguridad FS = 6 fue tambien recomendado para estimar la capacidadadmisible del pilote. Note que para martinetes de simple y doble accion, el termino WRhse reemplaza por EH E (donde E = eficiencia del martinete y HE = energfa nominal delmartinete). Entonces,

    (13.44)

    La formula ENR para hincado de pilotes ha sido revisada varias veces a 1 0 largode los afios, Una forma reciente de laf6rmula ENR modificada, es

    (13.45)

    don de E = eficiencia del martineteC = 0.254 si las unidades de S y h estan en centfmetrosW p =peso del piloten = coeficiente de restitucion entre el martinete y el cabezal del pilote

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    oiopd PP IBsl;:JASUBll U9!;););:JSBl ;:JPB;:Jl~ = dVoiopd l;:JP prursuo] = 7;:JlOnd l;:JP IBP;:JlBUI l;:JP pBPpqsBl;:J ;:JPolnp9UI = d'i[

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    "81OEd un 8p 8N!S!UIPB B'illB;) cp PBP!;)-BdB;) Bll8U8lqo urad (~17"U ) U9PBnJ8 Bl U8 usn 8S 9 A 178llU8 cp paptmscs 8p lOl;)BJ un

    "0- ~ Z"Ot,-O- "0~ "O -V "O

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    13.9 Formulas para el hincado de pilotes 533

    En la ecuaci6n (13.47) deben usarse unidades consistentes. Un factor de seguridad de en-tre 3 y 6 se recomienda para estimar la capacidad de carga admisible de los pilotes.Otras ecuaciones frecuentemente usadas para el hincado de pilotes son las dadaspor el Pacific Coast Uniform Building Code (International Conference of Building Offi-cials, 1982) y por lanbu (1953).Formula del Codigo de Construccion Uniforme de la Costa del Pacifico

    (13.48)

    El valor de n en la ecuaci6n (13.48) debe ser de 0.25 para pilotes de acero y de 0.1 paratodos los otros pilotes. Se recomienda generalmente un factor de seguridad de 4.Formula de Janbu

    (13.49)

    donde K', = Cd(l +h = ). J Cd)Cd= 0.75 + O.15(WpIWR)

    A = (EHEL IApEpS2)Se recomienda en general un factor de seguridad entre 4 y 5.

    (13.50)(13.51)(13.52)

    EJEMPLO13.7

    Un pilote de concreto prefabricado con secci6n transversal de 305 X 305 mm es hincadopor un martinete Vulcan (Modelo No. 08). Tenemos los valores:

    energfa nominal maxima del martinete = 35 kN-m (tabla 13.6)peso del pis6n = 36 kN (tabla 13.6)longitud total del pilote = 20 meficiencia del martinete = 0.8coeficiente de restituci6n = 0.45peso del cabezal del pilote = 3.2 kNnumero de golpes para los ultimos 25.4 mm de penetraci6n = 5

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    dIIdy:r = S==------ = "0!iHIIS; J (Lt'1) u9~:: :>Bm;J B'1 O; }

    _ 0 __ ~ __ Sd _ ropeONJfOt - N)f 9 Z O P - 1oz - "0 -N)f 1OZ "" ( s p ~ 0 0 ) ( P L 9 ) =

    [ L O o L p + 9 ] [ p ~ Z " o + SO~OO] "( L o o L p M ~ p o o ) + 9 (OO1)(~)(Soo) = 0'S;J:mOlU3

    N)f L o o L p = Z O + L S o p = IBZ;JqB:::>PP osod + o iojtd PP osod = dMA N )f L S o p = (S~oZ) z (~OoO) ( O Z ) = J Iv dY 7 = ;JlOrrd pp OS;Jd

    dM+IIM J+S ="0dMzU + lIM 'I f IIMII

    S;J (~po1) u9~:: :>Bm;J B'1 0 q__ 9__ Sd _ropeONJfZl9 - p L 9 - "0 -

    p ~ Z O O + SO~oO 1N)f p L 9 = (OO1)(~)(SoO) = '0

    uro S O r o O =llill SOO~=-~- =S::> p o ~ Z

    A 'rn-N) f ~ = gH 's o = II somoucj ,J + S="0!iHII

    S;J ( 1 7 1 7 01) u9~:: :>Bm;J B'1 O R

    ( 1 7 = Sd osn) ( L p o1) U9~:::>Bm3 O; }(s =Sd osn) ( ~ p o 1 ) U9~:::>Bm3 0 q( 9 = Sd osn) ( 1 7 1 7 01) U9~:::>Bm3 O R

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