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E.E. CIMENTACIONES “PILAS DE CIMENTACIÓN” Equipo: Báez Hernández Emmanuel González Lorenzo Manuel Guerra Domínguez Ivonne Guzmán Reséndez Marcos Antonio Hernández Alarcón Guadalupe

Pila En la ingeniería de cimentaciones, el término “PILA” tiene dos significados diferentes.  Una pila es una apoyo, generalmente de concreto, para

la superestructura de un puente.  Una pila es un miembro estructural subterráneo que

tiene la función de transmitir la carga a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo.

De acuerdo con las dimensiones de su sección transversal, las cimentaciones profundas generalmente se dividen en pilas, cuando su diámetro o lado es mayor de 60 cm, y pilotes, para dimensiones menores. En el diseño y construcción de pilas intervienen fundamentalmente tres variables:

Las pilas se diseñan y construyen para transmitir cargas verticales por punta a estratos resistentes profundos. Pilas por punta  Se utilizan cuando el estrato de suelo superficial es blando y compresible, y cuando el peso y cargas de la superestructura “Q” son importantes.

Ventajas de las pilas  Se puede usar una sola pila en vez de un grupo de pilotes

con cabezal.  La construcción de pilas en depósitos de arenas densa y

grava es mas fácil que hincar pilotes.  Las pilas se pueden construir antes de terminar las

operaciones de nivelación.  Cuando los pilotes son hincados a golpe de martillo, la

vibración del terreno ocasionan que pilotes ya antes hincados se muevan lateralmente, lo que no ocurre con la construcción de pilas.

 No se tiene ruido de martilleo durante la construcción

de pilas, como ocurre con el hincado de pilotes.  Como la base de la pila puede ampliarse, esta

proporciona una gran resistencia a cargas de tensión o levantamiento.  La superficie sobre la cual se construye la base de la

pila puede inspeccionarse visualmente.  La construcción de pilas utiliza generalmente equipo

móvil que, bajo condiciones apropiadas del suelo, resulta mas económico que los métodos usados para la construcción de cimentación con pilotes.

 Las pilas tienen alta resistencia a cargas laterales.  Como la base de la pila puede ampliarse, esta

proporciona una gran resistencia a cargas de tensión o levantamiento.  La superficie sobre la cual se construye la base de la

pila puede inspeccionarse visualmente.

Desventajas  La operación de colado puede demorarse por mal

tiempo y siempre requiere de una cuidadosa supervisión.  Las excavaciones profundas para pilas deben incluir

perdidas considerables de soporte y daños a las estructuras cercanas.

Tipos de pilas  Pila recta: atraviesa

la capa superior de suelo pobre y su punta descansa sobre un estrato resistente de suelo o roca con alta capacidad de carga. El barreno puede revestirse con una camisa o tubo de acero cuando se requiera.

 Pila acampanada:

consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre un suelo resistente. La campana se puede construir de forma de domo o de cono.

Pilas de concreto colada en el lugar  Generalmente

se fabrican con concreto reforzado, aunque es factible usar concreto simple cuando se trata de pilas cortas en una región no sísmica.

 El colado se debe hacer con una

tubería tremie o con trompa de elefante para evitar la segregación y contaminación del concreto.

Materiales de construcción  Acero de refuerzo  Agua  Aditivos  Agregado Fino  Agregado Grueso  Cemento

Construcción  La estratigrafía y condiciones del agua subterránea, así

como la profundidad, espesor y tipo de roca, suelo duro u otro material de apoyo para las pilas, influyen en el método de construcción y en el diseño ya que la permeabilidad, el nivel freático y las propiedades del suel0 determinarán la necesidad de usar ademe, lodos 0 bombeo y definir el método para la colocación del concreto.  La disponibilidad de áreas de trabajo, el acceso al sitio y las instalaciones que haya que proteger contra asentamientos, derrumbes, ruido 0 contaminación, influyen en la selección del método constructivo y por ende en el diseño.

Para describir como se construye una pila es conveniente estar familiarizado con el equipo y herramientas utilizados, con la forma de hacer el barreno en el subsuelo (perforación), conocer como preparar y colocar dentro del barreno el acero de refuerzo, como vaciar el concreto fresco y finalmente como verificar la calidad del producto terminado.

En síntesis, el procedimiento constructivo implica:  Formar por excavación 0 perforación un barreno cilíndrico

vertical en el subsuelo, que sea estable hasta la profundidad que deba alcanzar y que tenga la sección transversal de forma y dimensiones acordes con las cargas por transmitir al subsuelo y con la capacidad de carga de diseño.

 Habilitar y armar la jaula de acero de refuerzo

necesario de acuerdo con las especificaciones estructurales del proyecto colocándolo en la forma mas sencilla posible dentro del barreno previamente formado, cuidando que se centre y quede despegado de las paredes para garantizar en cualquier punto el recubrimiento especificado.  Colocar el concreto en el barreno, asegurando en todo

momento su integridad y continuidad.  Verificar mediante muestreo directo (con broca de

diamante) la calidad del concreto colado, 0 bien mediante métodos indirectos a base de sonido, para detectar la continuidad del concreto.

Equipo de construcción Grúas: Son máquinas que sirven para el levantamiento y manejo de objetos pesados, contando para ella con un sistema de malacates que acciona a uno 0 varios cables montados sobre una pluma y cuyos extremos terminan en gancho.

Perforadoras:

Son máquinas para hacer barrenos en el subsuelo, por medio de una barra en cuyo extremo inferior se coloca una herramienta de avance tal como una broca, un bote cortador, un trépano, etc.

Excavadoras de almeja: También se pueden excavar pilas de sección rectangular, oblonga 0 alguna combinación de estas secciones mediante almejas hidráulicas guiadas, integradas por dos quijadas móviles que se accionan con cilindros hidraulicos adosadas en la parte inferior de un barretón o Kelly rígido, de una pieza 0 telescópico.

Vibrohincador: En la construcción de pilas, los martillos vibratorios se emplean para el hincado y extracción de tubos ademe que sirven como protección de las perforaciones.

Herramientas para pilas Las principales herramientas que acopladas a los equipos de perforación permiten formar los barrenos en el subsuelo son las brocas, los botes y los trépanos.  Las perforadoras rotarias

emplean brocas espirales, botes cortadores, botes ampliadores para la formación de campanas en la base de la pila y trépanos.

Diferentes tipos de brocas

 Una buena construcción de pilas normalmente implica

excavar el barreno en el menor tiempo posible y colocar enseguida el concreto. Tiempos de construcción excesivos pueden dar lugar al relajamiento de esfuerzos en el sitio, lo cual permitiría cierto desplazamiento del suel0 hacia el pozo abierto, con la consiguiente disminución de la resistencia al corte y mal comportamiento posterior de la pila.

Métodos de construcción  Método en seco.  Método con

camisa.  Método del lodo natural o bentonítico.

Método en seco  Cuando la excavación no alcanza el nivel freático, y

donde no exista el peligro de derrumbe de las paredes del pozo excavado, como ocurre por ejemplo en los suelos arcillosos firmes y homogéneos, se puede aplicar el método de excavación en seco.  La forma más simple de excavar es a mano, con palas,

si bien este procedimiento queda limitado sólo a las excavaciones de poca profundidad, en suelos firmes.

 Más usual es el empleo de adecuados equipos de

perforación, tales como los de broca y barreno, o bien máquinas excavadoras especiales que consisten en un gran cucharón incorporado a una grúa. El cucharón va sujeto a una barra telescópica y esta accionado por un sistema hidroeléctrico.  Los pozos así cavados pueden alcanzar los 3 m de

diámetro y llegan a 40 m de profundidad. Para mejorar su resistencia por punta, se usan perforadoras especiales, capaces de ensanchar el fondo dándole forma de campana.

 Para ello se hace rotar la perforadora al tiempo que se

extienden sus afiladas aletas inferiores, progresivamente. El tiempo que se requiere para terminar la excavación depende de las características del suelo y de la geometría del pozo. Una excavación de 20 m de profundidad y 1 m de diámetro, realizada en seco, puede terminarse en 30 minutos, si el suelo es ardua firme.  Concluida la perforación, se coloca la armadura y se

vacía el concreto, llenando la totalidad del pozo. En algunos casos, se omite la armadura, o se la ubica solamente en la parte superior de la pila, generalmente en el 1/3 de la altura.

Pasos del método seco 1.- La excavación se lleva a cabo usando apropiadas perforación.

herramientas para la

2.- El concreto se vierte entonces en el agujero cilíndrico.

 Si se desea se coloca una jaula de

barras de refuerzo en la porción superior de la pila.

 Se termina el colado.

Método con camisa Sistema Chicago y Gow.  Cuando las condiciones del suelo son tales que existe el peligro de derrumbe de las paredes de la excavación, o cuando la pila se extiende más allá del nivel del agua subterránea, se usan camisas o tubos de gran diámetro para mantener el hueco en su forma hasta que se vacía el concreto.  La más económica de las camisas es la de madera con anillos de acero, que se van clavando a medida que la excavación desciende. Es el conocido “Método Chicago” pues fue usado por primera vez por la Compañía Sooy Smith en Chicago en 1894.

 La excavación se realiza a

mano en tramos de 60 cm para arcillas blandas y de hasta 1.8 m para arcillas firmes.  Cuando se alcanza la profundidad deseada y si el suelo es suficientemente resistente, se forma la campana de base. Las pilas construidas por el método Chicago alcanzan los 60 m de profundidad, con diámetros de hasta 3.5 m.

 Otro sistema de construcción

de pilas de gran tamaño es el “Método Gow”, que utiliza tubos de acero con tramos de diferente diámetro, dándole a la pila la forma telescópica. Los tubos van disminuyendo su dimensión en 5 cm a medida que se hallan más profundos en el subsuelo.

Método con lodo  Este método se conoce como excavación mojada y

resulta especialmente indicada en suelos muy blandos, donde es imposible mantener estables las paredes del pozo sin entibación.  Cuando los estratos superiores son resistentes, el proceso puede comenzarse con el método en seco y al alcanzar estratos desmoronables en el subsuelo, se introduce la camisa y se continúa la perforación. Al alcanzar la profundidad necesaria, se llena el tubo con lodo y se retira la camisa.  Una de las ventajas de este método permite no tener que vaciar el concreto inmediatamente después de excavado el pozo, ya que el lodo estabiliza las paredes del mismo.

Método con lodo natural  El lodo natural es el que se prepara con el suelo del

lugar, mezclándolo con agua y con minerales pesados, de modo que el lodo adquiera la misma densidad del suelo y ejerza una presión Interna igual a la del suelo que ha sido excavado. Este lodo debe tener una consistencia tal que mantenga en suspensión las partículas de los suelos granulares. El vaciado del concreto se realiza haciéndolo descender hasta el fondo de la excavación mediante tolvas o tubos y a medida que se llena el pozo con el concreto fresco, se desplaza el lodo, que es recogido en la superficie en fosas especialmente colocadas a tal fin. Por eso a este método se lo conoce como de lodo desplazado.

Método con lodo bentonítico.  El más usual es el empleo del lodo bentonítico.

 La bentonita es una arcilla tixotrópica - del tipo de la

montmorilonita- que se expende en forma de polvo y presenta la capacidad de poder absorber grandes cantidades de agua. Posee sodio como base de cationes y al ser mezclada con agua forma una suspensión o gel coloidal que por agitación pasa al estado plástico.  Las partículas coloidales de la bentonita que se mantienen en suspensión fluida, penetran en las paredes del suelo, por permeabilidad, y se depositan entre los granos de la masa del terreno con el cual están en contacto.

 Al penetrar el lodo entre los granos va depositando

elementos coloidales y por efecto de la tixotropía, se convierte en gel plástico, que modifica las características de un cierto espesor de las paredes del pozo, otorgándoles cohesión y disminuyendo su permeabilidad. Este proceso forma una costra o torta en las paredes de la excavación, que puede alcanzar varios centímetros de espesor.  La acción estabilizante del lodo bentonítico es muy

duradera, de modo que se pueden excavar todas las pilas de la obra, llenarlas de este lodo, y luego proceder al vaciado del concreto en forma simultánea o sucesiva.

 La técnica de la construcción de pilas o muros colados con

bentonita es relativamente reciente, pues su origen data de 1950, cuando se la comenzó a usar con éxito en exploraciones petroleras.  El efecto del lodo asegura la estabilidad de las paredes del pozo excavado, aun en arenas sin cohesión y bajo el nivel freático.  Las pilas de gran sección también pueden excavarse con barrenos rotativos, pudiendo alcanzar los 3 m de diámetro. El suelo barrenado se va extrayendo y en - su lugar se llena el pozo con lodo bentonítico, hasta terminar la excavación. Debe escogerse un barreno que permita el libre flujo del lodo, pues de lo contrario, se puede producir un vacío debajo que provoque el derrumbe de las paredes en la altura donde no hay lodo en suspensión.

 Cuando se debe colocar armadura resistente, se la hace

descender dentro del lodo hasta ubicarla en su posición correcta, y luego se procede a vaciar el concreto utilizando la tolva según se indicó previamente. Como el concreto tiene mayor densidad que el lodo, lo desplaza, y este sube y es recogido en la superficie para su posterior tratamiento y decantación.

“En la mecánica de los suelos, la teoría no es sino la práctica escrita”….. K. Terzaghi

Bibliografía  Principios de la ingeniería de cimentaciones.

Braja M. Das  Ingeniería de cimentaciones. Peck, Hanson, Thornburn  Manual de diseño y construcción de pilas y pilotes. Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos.