Los pilotes perforados, son un elemento estructural esencial en la Ingeniería civil, utilizados para proporcionar soporte a las construcciones transfiriendo las cargas del edificio al subsuelo más competente, que se encuentra a mayor profundidad. Estos pilotes son especialmente útiles en suelos con capacidad portante baja en la superficie.
Los pilotes perforados son un elemento de construcción muy eficiente con muchas aplicaciones en la cimentación y la ingeniería civil. Se pueden utilizar como cimentaciones pesadas, asegurando las excavaciones profundas que estén especialmente cerca de edificios colindantes, así como también estabilizando y conteniendo taludes.
Los términos; pilote perforado,pilote de tubo llenado con concreto, pilar, pila perforada y pilar perforado se utilizan con frecuencia indistintamente en la ingeniería de cimentaciones; todos se refieren a una pila colada en el lugar que por lo general tiene un diámetro de aproximadamente 750 mm o más, con y sin refuerzo de acero y con o sin un fondo ensanchado. En ocasiones el diámetro puede ser tan pequeño como de 305 mm.
A fin de evitar confusiones, utilizamos el término pila perforadapara un agujero perforado o excavado hasta el fondo de la cimentación de una estructura y luego llenado con concreto.
Dependiendo de las condiciones del suelo, se pueden utilizar revestimientos para evitar que el suelo alrededor del agujero se derrumbe durante la construcción. El diámetro de la pila suele ser lo suficientemente grande para que una persona pueda entrar a inspeccionar.
El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene varias ventajas:
1. Se puede emplear una sola pila perforada en vez de un grupo de pilotes con larguero.
2. La construcción de pilas perforadas en depósitos de arena densa y grava es más fácil que hincar pilotes.
3. Las pilas perforadas se pueden construir antes de completar las operaciones de nivelación.
4. Cuando los pilotes se hincan con un martinete, la vibración del suelo puede dañar las estructuras cercanas, problema que se evita empleando pilas perforadas.
5. Los pilotes hincados en suelos de arcilla pueden producir levantamiento del terreno y ocasionar que los pilotes previamente hincados se muevan de manera lateral. Esto no ocurre durante la construcción de pilas perforadas.
6. Se evita generar ruido por un martinete durante la construcción de pilas perforadas, como en el caso del hincado de pilotes.
7. Debido a que la base de una pila perforada se puede ampliar, ésta proporciona una gran resistencia a la carga de levantamiento.
8. La superficie sobre la cual se construye la base de una pila perforada se puede inspeccionar visualmente.
9. En la construcción de pilas perforadas en general se utiliza equipo móvil, que, en condiciones apropiadas del suelo, puede ser más económico que los métodos de construcción de cimentaciones con pilotes.
10. Las pilas perforadas tienen una alta resistencia a las cargas laterales.
Desventajas:
También se tiene un par de desventajas en la construcción de pilas perforadas. Una es que la operación de vertido del concreto se puede retrasar por mal clima y siempre se requiere de una supervisión cuidadosa. Otra desventaja es que al igual que en los cortes apuntalados, las excavaciones profundas para las pilas perforadas pueden inducir una pérdida significativa de suelo y, por lo tanto, producir daño a estructuras cercanas.
Tipo de pilas perforadas
Las pilas perforadas se clasifican de acuerdo con las formas en que se diseñan para transferir la carga estructural al subsuelo. En la figura 3 se muestra una pila perforada recta, que se extiende a través del o de los estratos superiores de suelo débil y su punta se apoya sobre un estrato de suelo o roca con gran capacidad de soporte de carga. La pila se puede revestir con un ademe o tubo de acero cuando así se requiera (como en el caso de pilotes de concretos revestidos colados en el lugar. Para estas pilas, la resistencia a la carga aplicada se puede desarrollar por el soporte de su extremo y también por la fricción lateral en la interfaz entre el perímetro de la pila y el suelo.
Una pila acampanada (figura 3, b y c) consiste en un pilote recto con una campana en el fondo, la cual se apoya sobre suelo de buena capacidad. La campana se puede construir con forma de domo (figura 3, b) o inclinada ( la figura 3, c). Para las campanas inclinadas, las herramientas para ensanchar el fondo disponible comercialmente pueden formar excavaciones a ángulos de 30 a 45° con la vertical. En la mayoría de pilas perforadas construidas, toda la capacidad de soporte de carga se asigna sólo al apoyo del extremo. Sin embargo, en ciertas circunstancias, la capacidad de apoyo del extremo y la fricción lateral se toman en cuenta. También se consideran la resistencia por fricción lateral y la capacidad de apoyo del extremo.
Las pilas rectas se pueden ampliar hacia un estrato de roca subyacente. (figura 3, d). En el cálculo de la capacidad de soporte de carga de estas pilas, el soporte del extremo y el esfuerzo cortante desarrollado a lo largo de la interfaz entre el perímetro de la pila y la roca también se pueden tomar en cuenta.
PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN
El procedimiento de construcción más común utilizado comprende la perforación rotatoria. Existen tres tipos principales de métodos de construcción: el método seco, el método con ademe y el método húmedo.
Método de construcción seca
Este método se emplea en suelos y rocas que se encuentran arriba del nivel freático y que no se desplomarán cuando la perforación se excave hasta su profundidad total. La secuencia de construcción, es a como se muestra a continuación
Paso 1. La excavación se termina (y se acampana si se desea), utilizando herramientas de perforación apropiadas y la rezaga de la perforación se depositan en un lugar cercano. (figura 4.1, a).
Paso 2. Luego se vierte concreto en la perforación cilíndrica. (figura 4.1, b).
Paso 3. Si se desea, se coloca una jaula de varillas de refuerzo en la parte superior de la pila. (figura 4.2, c).
Paso 4. Después se termina el colado del concreto y la pila perforada será como se muestra en la figura 4.2, d.
Método de construcción con ademe
Este método se utiliza en suelos o rocas en las que es probable que ocurran derrumbes o una deformación excesiva cuando se haga la excavación de la perforación. La secuencia de construcción se puede explicar como sigue:
Paso 1. El procedimiento de excavación se inicia igual que en el caso del método de construcción seca. (figura 5.1, a).
Paso 2. Cuando se encuentre un suelo susceptible a derrumbarse, se introduce una lechada de bentonita en la excavación. (figura 5.1, b). La perforación continúa hasta que la excavación pasa el estrato de suelo susceptible a derrumbarse y se encuentra un estrato de suelo o roca impermeable.
Paso 3. Se introduce un ademe en la perforación. (figura 5.2, c).
Paso 4. Se saca la lechada del ademe con una bomba sumergible. (figura 5.2, d).
Paso 5. Se introduce en la perforación un taladro menor que pase a través del ademe y se continúa la excavación. (figura 5.3, e).
Paso 6. Si se necesita, la base del agujero excavado se puede alargar con un ensanchador de fondo. (figura 5.3, f).
Paso 7. Si se requiere acero de refuerzo, la jaula con varillas necesita extenderse a toda la longitud de la excavación. Luego se vierte concreto fluido en la excavación y el ademe se saca gradualmente. (figura 5.4, g).
Paso 8. En la figura 5.4, h se muestra la pila perforada completada.
Método de construcción húmedo
A este método en ocasiones se le refiere como método con lechada de desplazamiento. La lechada se emplea para mantener abierto el barreno durante toda la profundidad de la excavación. Los siguientes son los pasos comprendidos en el método de construcción húmedo:
Paso 1. La excavación continúa hasta la profundidad total con lechada. (figura 6.1, a).
Paso 2. Si se requiere refuerzo, la caja de varillas de refuerzo se coloca en la lechada. (figura 6.1, b).
Paso 3. Luego se vierte en la perforación el concreto que desplazará el volumen de lechada. (figura 6.1, c).
Paso 4. En la figura 6.1 ,d se muestra la pila perforada completada.
CONSIDERACIONES TÉCNICAS:
1. Estudio Geotécnico: Antes de la instalación de pilotes perforados, es crucial realizar un estudio geotécnico detallado. Este estudio ayuda a comprender las características del suelo, incluyendo la estratificación, capacidad portante, y presencia de agua subterránea. Estos factores son esenciales para determinar la profundidad y el tipo de pilote necesario.
2. Diseño del Pilote: El diseño de los pilotes perforados debe considerar varios aspectos, como la longitud, el diámetro, el tipo de concreto y la armadura de acero. La longitud del pilote está dictada por la profundidad de la capa de suelo resistente, mientras que el diámetro depende de la carga que debe soportar el pilote.
3. Método de Perforación: El método de perforación se elige en función del tipo de suelo. Por ejemplo, en suelos cohesivos se pueden utilizar métodos de perforación con lodo bentonítico para estabilizar las paredes del agujero, mientras que en suelos granulares se puede requerir el uso de revestimientos temporales.
4. Control de Calidad: Durante la construcción, es vital mantener un estricto control de calidad. Esto incluye la inspección del concreto vertido, la verificación de la verticalidad y alineación de los pilotes, y la inspección de la armadura de acero.
Riesgos y Desafíos:
Colapso del Agujero: En suelos inestables, existe el riesgo de colapso del agujero antes del vertido del concreto.
Infiltración de Agua: La presencia de agua subterránea puede complicar la perforación y el vertido del concreto.
Obstrucciones Subterráneas: En áreas urbanas, pueden encontrarse obstrucciones como servicios públicos o restos de cimentaciones antiguas.
Usos Especiales y Adaptaciones:
Pilotes Inclinados: En algunos casos, los pilotes perforados se instalan inclinados para resistir cargas laterales, como en el caso de muros de contención.
Pilotes Compuestos: Para alcanzar mayores profundidades o para adaptarse a condiciones de suelo variadas, se pueden utilizar pilotes compuestos que combinan diferentes tipos y métodos de pilotes.
Sostenibilidad y Medio Ambiente:
Reducción del Impacto Ambiental: Los pilotes perforados, al generar menos ruido y vibraciones, minimizan la perturbación en áreas sensibles.
Optimización de Materiales: El diseño cuidadoso de los pilotes puede llevar a una optimización en el uso de materiales, reduciendo el impacto ambiental.
Fabricación e Instalación:
Perforación: El proceso comienza con la perforación de un agujero en el terreno. Este se realiza con una herramienta de perforación que puede variar según el tipo de suelo; por ejemplo, se pueden usar barrenas, trépanos o herramientas de perforación rotatoria.
Colocación de la Armadura: Una vez realizado el agujero, se inserta una armadura de acero. Esta armadura es esencial para proporcionar resistencia a esfuerzos de tracción y flexión que el pilote podría enfrentar.
Vertido del Concreto: Con la armadura en su lugar, se vierte concreto en el agujero. El concreto debe ser de alta calidad para asegurar la resistencia y durabilidad del pilote. A menudo, se utiliza una técnica llamada “concreto lanzado” para evitar la segregación del material durante el vertido.
Tipos de Suelos y Aplicaciones:
Suelos Blandos o Inestables: En estos suelos, los pilotes perforados son esenciales para alcanzar una capa de suelo más firme o roca.
Construcciones de Gran Altura: Son comunes en rascacielos y grandes estructuras donde la carga es considerable.
Puentes y Estructuras sobre el Agua: Ayudan a soportar las cargas en ambientes donde los suelos son generalmente inestables o compuestos de sedimentos.
Ventajas:
Menos Vibración y Ruido: A diferencia de los pilotes hincados, los pilotes perforados generan menos vibración y ruido durante la instalación, lo cual es crucial en áreas urbanas densamente pobladas o cerca de estructuras sensibles.
Adaptabilidad: Se pueden adaptar a diversas profundidades y tipos de suelo, lo que los hace versátiles para diferentes proyectos.
Capacidad de Carga Alta: Ofrecen una excelente capacidad de carga debido a la interacción del pilote con el suelo a mayor profundidad.
Desventajas:
Costo y Tiempo: La instalación de pilotes perforados puede ser más costosa y llevar más tiempo en comparación con otros métodos de cimentación.
Limitaciones en Suelos Muy Duros: En suelos extremadamente duros o con obstrucciones, la perforación puede ser complicada.
ALGUNAS FORMAS DE APLICACIÓN DE LOS PILOTES
Gracias a la variedad de métodos de construcción y a la amplia gama de diámetros y herramientas, los pilotes perforados pueden transferir las cargas de cimentación a través de una variedad de suelos a estratos de lecho de roca subyacentes más fuertes
1. Cimentaciones. Los pilotes perforados de gran diámetro son extremadamente efectivos para transferir y soportar grandes cargas.
2.Infraestructuras. Los pilotes perforados grandes se pueden utilizar en una variedad de proyectos de infraestructuras, tales como la construcción de túneles, carreteras o puentes, así como la protección contra inundaciones.
3. Excavación de los cimientos. Los pilotes perforados son un método probado para contener el terreno junto a una excavación de cimientos o cerca de edificios colindantes y, a menudo, se combinan con otras técnicas, como anclajes al terreno o soil nailing.
4. Estabilización de taludes. Los pilotes perforados de gran diámetro se usan para prevenir deslizamientos de tierra o proteger edificios existentes.
PANTALLA DE PILOTES
Varios pilotes perforados dispuestos en una línea pueden formar una pantalla de pilotes.
Objeto de las pantallas de pilotes perforados:
• Sistema de contención para la excavación de cimientos, túneles y pozos de gran diámetro.
• Paredes de los estribos para puentes.
• Sistemas de protección de taludes.
Las pantallas de pilotes usadas como estructuras de contención a menudo son arriostradas por filas de anclajes o puntales de acero.
Tipos de pantallas de pilotes
Las pantallas de pilotes se clasifican en tres tipos diferentes:
• Pantallas de pilotes secantes
• Pantalla de pilotes tangentes
• Pantalla de pilotes discontinua con traviesas de madera, refuerzo de hormigón proyectado o cortina de jet-grouting.
Pantalla de pilotes secantes
Las pantallas de pilotes secantes requieren una pared de guía de hormigón armado para garantizar la ubicación correcta y la alineación del pilote (dirección x e y) y la entubación recuperable para garantizar la verticalidad requerida (dirección z).
Una pantalla de pilotes secantes consiste en varias pilas que se cortan entre sí para garantizar una junta continua capaz de transmitir esfuerzos y con estanqueidad requerida.
Los pilotes se clasifican en pilotes primarios y pilotes secundarios. Al principio, varios pilotes primarios se ejecutan utilizando sólo hormigón de menor resistencia (sin refuerzo).
Cuando se construyen pilotes secundarios, se sobreponen en los pilotes primarios adyacentes. Los pilotes secundarios se ejecutan construyen con armadura de refuerzo y hormigón de mayor resistencia.
Ventajas:
• Muy poca deformación y asiento en el trasdós y el propio pilote.
• Puede soportar grandes cargas de las estructuras colindantes
• Menos vibración durante la construcción
• Puede utilizarse como parte de una estructura permanente
• Estanqueidad
Pantalla de pilotes tangentes
Las pantallas de pilotes tangentes consisten en pilotes reforzados y no reforzados. El refuerzo se puede proporcionar mediante la instalación de jaulas de armado, secciones metálicas acanaladas, vigas en I o vigas en H.
Las pantallas de pilotes tangentes arriostradas por anclajes o puntales a menudo disponen de una viga de reparto para distribuir las cargas, evitar el punzonamiento del pilote y como una medida de mitigación para el improbable caso de que un anclaje / puntal pierda carga. Dicha viga de reparto puede construirse de hormigón armado hormigonado directamente contra los pilotes o mediante perfiles de acero fijados a los pilotes y los anclajes/puntales.
Para garantizar la estanqueidad al agua, se puede realizar una inyección a lo largo de la parte exterior de la junta de dos pilotes contiguos.
Ventajas:
• Poca deformación y asientos en el trasdós y en el propio pilote
• Puede soportar carga de las estructuras colindantes circundantes
• Menos vibraciones durante la construcción
Pantalla de pilotes discontinua
Las pantallas discontinuas de pilotes consisten en pilotes dispuestos de manera que quede un espacio entre ellos. El suelo entre los pilotes se puede estabilizar durante la excavación, ya sea instalando madera aislante frente al suelo excavado o construyendo una pared reforzada de hormigón proyectado sobre la superficie excavada del suelo.
Alternativamente, una inyección de lechada se puede llevar a cabo antes de la excavación para el suelo entre los pilotes.
Las pantallas discontinuas de pilotes arriostradas por anclajes o puntales a menudo disponen de una viga de reparto para distribuir las cargas, evitar el punzonamiento del pilote y como una medida de mitigación para el improbable caso de que un anclaje/puntal pierda carga. Dicha viga de reparto puede construirse de hormigón armado hormigonado directamente contra los pilotes o mediante perfiles de acero fijados a los pilotes y los anclajes/puntales
Ventajas:
• Puede soportar una carga limitada de las estructuras circundantes
• Menos vibraciones durante la construcción
En conclusión, los pilotes perforados son una solución de cimentación profunda flexible y eficiente que se adapta a una variedad de condiciones de suelo y requisitos estructurales. Su diseño y ejecución requieren una planificación cuidadosa y un conocimiento profundo de la mecánica del suelo y la ingeniería estructural.
Fuentes bibliográficas:
Braja M. Das. Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones. Séptima edición.
Keller Group Plc Company
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