Existen situaciones en las que no es posible encontrar suelo suficientemente resistente en la superficie para sostener una estructura de manera segura y estable.
Sin embargo, gracias a las cimentaciones profundas y en particular a los pilotes de cimentación, es posible resolver este problema de manera efectiva.
Los pilotes son un tipo de cimentación profunda, que trasmiten los esfuerzos de las estructuras superiores a capas profundas del terreno dotadas de características portantes adecuadas.
Los pilotes in situ se utilizan cuando el terreno no es lo suficientemente resistente.
La utilización de cimentaciones con pilotes in situ ha sido fundamental en una variedad de proyectos de construcción, donde la estabilidad y resistencia de las estructuras eran aspectos críticos.
En diversos proyectos de construcción, la elección de cimentaciones con pilotes in situ ha demostrado ser altamente exitosa.
Qué son los pilotes de cimentación
Los pilotes de cimentación son elementos estructurales que entran en la categoría de las “cimentaciones profundas o indirectas”, ya que tienen la capacidad de transferir la carga vertical de la estructura a capas de suelo más resistentes y estables situadas a mayores profundidades.
A diferencia de las cimentaciones superficiales, que transfieren la carga al suelo solo a través del plano de apoyo, los pilotes de cimentación transmiten la carga tanto por fricción a lo largo de la superficie lateral de la cimentación como por carga de punta, dependiendo de la relación entre el diámetro del pilote y su altura.
Su objetivo principal es reducir los asentamientos a largo plazo, aprovechando las características mecánicas de los sustratos profundos y evitando los problemas relacionados con la presencia, en las capas superficiales, de suelos blandos, niveles freáticos o cavidades.
Puede utilizase como elemento de fundación, permitiendo transferir grandes cargas al terreno, o como elemento vertical en estructuras de contención de suelos.
En algunos casos son usados como medio de contención, ya que son capaces de absorber empujes laterales, permitiendo así por ejemplo la excavación de sótanos, contención de taludes, etc.
Cuándo usar cimentaciones sobre pilotes
Entre las diferentes tipologías de cimentación a las que se puede recurrir para garantizar la seguridad y estabilidad de una obra, generalmente es apropiado utilizar pilotes de cimentación cuando:
el suelo de superficie tiene una capacidad portante insuficiente para soportar la carga de la estructura.
Los pilotes de cimentación permiten alcanzar capas de suelo más profundas y estables, distribuyendo la carga de manera efectiva para evitar asentamientos y deformaciones excesivas.
la estructura debe ser aislada de suelos superficiales que están sujetos a fenómenos dañinos como erosión, lavado o acción de agentes externos.
Los pilotes de cimentación permiten colocar las cimentaciones por debajo de estos suelos problemáticos, protegiendo así la estructura de los efectos perjudiciales.
es técnicamente imposible realizar cimentaciones superficiales, como en el caso de estructuras marítimas o en presencia de suelos caracterizados por elevados gradientes de filtración, suelos incoherentes o situaciones que hacen impracticable el uso de otros tipos de cimentaciones.
los asentamientos previstos son incompatibles con el tipo de estructura a construir, ya que superan el límite máximo que la misma puede soportar.
Los pilotes de cimentación, mediante el alcance de profundidades elevadas, permiten gestionar de manera controlada los asentamientos absolutos y diferenciales, garantizando así estabilidad y seguridad a largo plazo para la estructura.
Pilotes in situ y pilotes prefabricados
Los pilotes de cimentación pueden ser realizados en diferentes materiales, como hormigón armado, acero o madera.
Según el material empleado, se pueden tener pilotes de madera, pilotes metálicos y pilotes de hormigón.
Esta tipología se puede dividir en dos categorías principales: pilotes prefabricados y pilotes in situ.
Los pilotes in situ ofrecen una mayor adaptabilidad a las condiciones del terreno, asegurando una adecuada transmisión de cargas.
Por otro lado, los pilotes prefabricados son más rápidos de instalar y pueden ser utilizados en terrenos con dificultades como presencia de agua subterránea.
Los pilotes pre-excavados son ejecutados mediante extracción parcial o total del suelo y hormigonados “in situ”.
Este tipo de pilotes constituye una de las soluciones clásicas de cimentación o fundaciones especiales.
Pilotes in situ
Cuando se construyen insitu se debe realizar una perforación en el suelo, hasta encontrar terreno firme (por lo general roca), a la que posteriormente en su interior, se le coloca un armado de acero y en él, se vacía concreto.
Antes de iniciar la construcción de pilotes in situ, es crucial realizar una adecuada preparación del sitio.
Una vez realizada la perforación, se procede a colocar el armado en el interior del pilote y verter el hormigón.
Los pilotes insitu se emplean prácticamente en todo tipo de terrenos, siempre y cuando se cuente con la herramienta de perforación adecuada.
La construcción de pilotes in situ presenta diversos factores a considerar para garantizar la estabilidad y eficiencia de la cimentación.
Pilotes prefabricados
Generalmente los pilotes prefabricados de concreto se arman en forma similar a las columnas.
El vaciado del concreto se hace en moldes individuales colocados horizontalmente, donde previamente se ha colocado el acero de refuerzo.
Para que el concreto cure de una forma adecuada, se le deben aplicar procesos de curado a decisión del fabricante siempre y cuando éste no sea menor a un periodo de 7 días.
Generalmente los elementos prefabricados son enganchados en dos o más puntos, en posición horizontal, con ganchos que se disponen para tal fin durante el vaciado de concreto.
A mayor número de puntos se produce menor flexión del pilote por su propio peso, evitando así la fisuración en el concreto.
Tipologías de pilotes de cimentación
Los pilotes de cimentación pueden ser clasificados según diferentes criterios que tienen en cuenta el material, las dimensiones o las tecnologías constructivas empleadas para la realización de estos elementos estructurales.
Tipos de pilotes según sus dimensiones
pilotes de pequeño diámetro: aquellos que tienen un diámetro inferior a 25 cm y longitudes principalmente entre 5 y 20 m;
pilotes de diámetro medio: aquellos con un diámetro entre 30 y 60 cm, y longitudes que varían generalmente de 5 a 25 m;
pilotes de gran diámetro: aquellos que tienen un diámetro superior a 80 cm y pueden alcanzar longitudes a menudo del orden de 20 a 40 m.
Tipos de pilotes según su material
pilotes de madera: son obtenidos de troncos de árboles y se caracterizan por un fuste con fibras rectas, sin impurezas ni nudos.
Se introducen en el suelo mediante golpes.
Cuanta más resina haya en la madera, mayor será la resistencia y durabilidad del pilote.
La disponibilidad de pilotes de madera de grandes dimensiones puede ser limitada, y su durabilidad en el tiempo puede estar influenciada por la humedad del suelo y por organismos xilófagos;
pilotes metálicos: ofrecen mayor resistencia y durabilidad y son adecuados para situaciones que requieren una capacidad portante elevada.
Son frecuentemente utilizados en la construcción de rascacielos o estructuras industriales.
Durante el proceso de instalación, los pilotes metálicos se golpean o perforan, dependiendo de la técnica constructiva adoptada.
Son especialmente adecuados en casos donde es necesario superar suelos compactos o rocosos.
Sin embargo, su coste puede ser más elevado, por lo que se utilizan con mayor frecuencia en proyectos que requieren una resistencia y robustez estructural particular;
pilotes de hormigón.
Tipos de pilotes según su tecnología constructiva
pilotes golpeados: se realizan mediante la introducción del pilote de cimentación en el suelo a través del proceso de golpeo o percusión.
Este procedimiento implica la introducción del pilote mediante empuje, sin extraer material, sino simplemente desplazándolo o compactándolo;
pilotes perforados: implican la extracción y sustitución del suelo mediante el uso de equipos de perforación.
Generalmente, se utiliza una broca o una hélice para perforar el suelo, eliminando el material durante la operación.
Posteriormente, el pilote se introduce en el agujero creado.
Este método es particularmente útil en presencia de suelos más compactos o rocosos, donde el simple golpeo podría ser ineficaz.
La extracción y sustitución del suelo permiten crear una cimentación más resistente y estable.
Tipos de construcción de pilotes in situ
La elección del tipo de pilote a ejecutar depende de las características del terreno (estratigrafía, nivel freático, capas blandas, etc.) y para el caso de Colombia, también se debe tener en cuenta el título H de la Norma Sismo Resistente - NSR-10.
En seco
Este tipo de pilotaje comprende diferentes fases como son la perforación del subsuelo con hélice o cazo, colocación de armadura de acero y vertido de concreto mediante tubo tremie que se realiza de abajo hacia arriba.
Con camisa recuperable o perdida
En terrenos fangosos, cercanos al nivel del mar o cuencas de ríos.
Este pilotaje comprende la introducción de camisas para sujeción de las paredes a perforar, perforación del terreno, colocación de armaduras y vertido de concreto.
Con ayuda de lodos bentoníticos
En presencia de un suelo friccionante (como son arenas, materiales gruesos y limos), suelen presentarse “caídos” (desmoronamiento en el interior de las paredes de la perforación), ya que poseen una estructura cohesiva muy frágil, y cualquier movimiento como el que produce la broca al perforar el terreno, hace que se rompa dicha cohesión.
Emplear lodo bentonítico durante la excavación es uno de los principales métodos para evitar este tipo de problemas.
Consiste en vaciar el lodo en el interior de la perforación, el cual, va a ser desplazado de la perforación a medida que el concreto se va colocando, por diferencia de densidades.
Pantalla de pilotes secantes
Este método permite hacer una excavación del terreno a gran profundidad, sin preocupación de que se puedan deteriorar cimentaciones de edificaciones contiguas y aceras de la calle, impidiendo el paso del agua de nivel freático a los sótanos.
Esta pantalla trabaja también como cimentación de la estructura, obteniéndose así un doble aprovechamiento de este tipo de cimentación especial.
Acero de refuerzo
Las armaduras se conforman como si fuesen jaulas.
Los aceros longitudinales están constituidos por barras colocadas uniformemente en el perímetro de la sección, y el refuerzo transversal lo constituye una armadura de acero en forma de espiral o cercos redondos con una sección y separación determinada.
La cantidad de barras y el diámetro de las mismas, se calcula en función de la carga que deba soportar el pilote y según lo especificado en la NSR-10.
“Los aceros longitudinales están constituidos por barras colocadas uniformemente en el perímetro de la sección, y el refuerzo transversal lo constituye una armadura de acero en forma de espiral o cercos redondos con una sección y separación determinada”.
Vaciado del concreto
Existen diversos métodos para realizar la colocación del concreto en pilotes.
Como primera medida, la camisa, tubo o tubería, debe ser inspeccionada justo antes de vaciado el concreto, debe estar libre de material extraño y no contener más de diez centímetros de agua, a menos que se utilice el método tremie para introducir concreto.
El concreto debe ser vertido en cada perforación o camisa en lo posible sin interrupción.
Cuando el vaciado se suspende, todas la rebabas deben ser retiradas y la superficie del concreto debe ser lavada con una lechada fluida.
Método tremie
Puede emplearse además el método tremie, el cual consiste en la colocación del concreto por flujo inverso.
Es un método bastante empleado para verter concreto a través de agua, cuando la perforación queda inundada, o cuando se emplean lodos bentoníticos.
El concreto empleado en este método tiene características especiales, ya que se diseña con una consistencia fluida y alta cohesividad para que de este modo se disminuya la posibilidad de segregación.
Además se debe garantizar una mezcla homogénea a grandes profundidades, en elementos delgados y con una densidad importante de acero de refuerzo.
El concreto se carga por tolva o es bombeado, en forma continua, dentro de una tubería llamada tremie, deslizándose hacia el fondo y desplazando el líquido e impurezas hacia la superficie.
Colado de concreto para pila de cimentación con Sistema Tremie | Recolección de lodos bentoníticos.
Presencia de agua subterránea
La presencia de agua subterránea puede afectar significativamente la construcción de pilotes in situ, requiriendo medidas específicas para garantizar la integridad de la cimentación.
Por otro lado, los pilotes prefabricados son más rápidos de instalar y pueden ser utilizados en terrenos con dificultades como presencia de agua subterránea.
Es un método bastante empleado para verter concreto a través de agua, cuando la perforación queda inundada, o cuando se emplean lodos bentoníticos.
Diseño, cálculo y verificación
Al planificar cimentaciones con pilotes in situ, es crucial considerar diversos aspectos que aseguren la eficacia y seguridad de la estructura a construir.
El cálculo de pilotes de cimentación es un proceso complejo que requiere una evaluación precisa de varios factores geotécnicos, estructurales y ambientales.
Caracterización del terreno
Antes de comenzar el diseño, es fundamental realizar una adecuada investigación geológica y geotécnica para comprender las características del terreno sobre el cual se construirán las cimentaciones.
Este estudio puede incluir diversas pruebas (como perforaciones, pruebas de penetración estática, ensayos presiométricos, etc.).
Los datos recopilados proporcionarán información crucial sobre la composición del suelo, su resistencia, la presencia de niveles freáticos y otros factores que pueden influir en el diseño de las cimentaciones.
Definición de cargas y dimensionamiento
El siguiente paso implica determinar las acciones que las cimentaciones deberán soportar.
Con base en las características del terreno y las cargas previstas, se selecciona el tipo de pilote más adecuado.
El dimensionamiento de los pilotes se realiza teniendo en cuenta las características del terreno y las cargas aplicadas.
Se consideran parámetros como la resistencia en la punta del pilote, la resistencia lateral, etc.
El espaciado entre pilotes dependerá de la distribución de las cargas y las características del suelo.
Verificación de la capacidad portante
Es necesario verificar que los pilotes sean capaces de soportar las cargas previstas sin exceder los límites permitidos.
Esto se hace calculando la capacidad portante de los pilotes y comparándola con las cargas aplicadas.
La capacidad portante puede determinarse utilizando métodos analíticos o mediante ensayos de carga en pilotes.
Es fundamental realizar pruebas para evaluar la capacidad portante de los pilotes una vez instalados.
Hincado e instalación de pilotes prefabricados
El hincado es el proceso de introducción de los pilotes en el terreno más antiguo, el cual puede realizarse con diferentes métodos o sistemas.
La característica más importante de un equipo para la hinca de pilotes desde el punto de vista ingenieril, es su capacidad para guiar el pilote exactamente.
Cuando se finalice el hincado del pilote se procede a realizar la demolición de las cabezas de tal manera que queden al nivel especificado.
En suelos muy blandos los primeros golpes del martillo pueden hincar el pilote varios metros; incluso podría introducirse en el terreno por el solo peso del martillo.
Por el contrario, en suelos duros cada golpe del martillo está acompañado por una deformación del pilote y tendrá una pérdida de energía.
En los casos en donde sea difícil alcanzar la profundidad de hincado, se puede utilizar un chorro de agua.
Esto suele suceder en donde se deben atravesar capas de suelos granulares muy densos.
La inyección de agua se debe aplicar con una presión menor a 1 MPa al mismo tiempo en que se va hincando el pilote.
Rendimientos y profundidades
El desarrollo constante de nuevos equipos y herramientas hacen posible obtener rendimientos y profundidades de excavación que antes eran impensadas.
Pilotes Terratest ofrece pilotes de profundidades hasta aprox. 60 m, dependiendo del tipo de suelo y condiciones de la obra.
| Criterio | Dato |
|---|---|
| Pequeño diámetro | inferior a 25 cm |
| Longitud habitual pequeño diámetro | 5 y 20 m |
| Diámetro medio | 30 y 60 cm |
| Longitud habitual diámetro medio | 5 y 25 m |
| Gran diámetro | superior a 80 cm |
| Longitud habitual gran diámetro | 20 a 40 m |
| Profundidades ofrecidas | hasta aprox. 60 m |
| Presión de inyección de agua | menor a 1 MPa |
| Curado mínimo prefabricados | 7 días |
Responsabilidad en la ejecución
El constructor es el responsable del bueno uso del pilote y por tal razón de asegurar las óptimas condiciones en que se instala.
Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes.
Las cimentaciones profundas son una gran herramienta para solucionar problemas como capacidad portante de un suelo, o darle soporte a la estructura a la hora de construir una obra.
El sistema de pilotes perforados o in situ, es una de las soluciones estándares de cimentación para este tipo de problemas, teniendo a su vez gran variedad de construcción.
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