Cimentaciones

Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco
División de ciencias básicas e ingeniería
U. E. A.: Edificación (114223)
Prof.: Ing. Jesús Antonio Flores Bustamante
Alumno: Gómez Verde Emilio
Trabajo:
“Cimentaciones”
1
Introducción
Importancia de las cimentaciones
Es evidente que para que una estructura ofrezca una seguridad y comportamiento razonable ha
de contar con una cimentación adecuada. Aunque la cimentación es algo que no llama la atención y
para inadvertida por los usuarios de la estructura, la organización de sus elementos básicos y el estudio
de cada una de sus partes suele a veces exigir del ingeniero o proyectista la mayor destreza y el mejor
criterio del que normalmente necesita para redactar el proyecto. La construcción de una cimentación
es, a veces, el trabajo más difícil de todos los que se presentan al realizar una obra.
La responsabilidad del buen funcionamiento de una cimentación recae sobre el que la estudia y
proyecta. El constructor podrá tener problemas para realizar lo que figura en los planos y
especificaciones pero no es responsable del mal criterio que se haya seguido para concebir y diseñar el
proyecto. También los que proyectan la estructura y deben tomar las decisiones vitales han de
enfrentase a problemas complejos.
La naturaleza ha dispuesto los materiales en el sitio en que se encuentran en una forma
caprichosa, y es difícil averiguar cuál será el comportamiento de estos materiales cuando sean
sometidos a la acción de las cargas; las aguas pueden arrastrar el terreno o inundar la estructura, las
masas se hielo o los vendavales pueden ejercer presiones de magnitud desconocida; las heladas pueden
dar origen a levantamientos y hundimientos. Igualmente la intervención de la mano del hombre puede
agravar las dificultades y así es posible topar con una barcaza hundida o con un montón de escombros
enterrados bajo el fango o la arena, con una vieja alcantarilla que atraviesa el lugar de ubicación bajo
la superficie del terreno, o bien encontrarse con que una parte del terreno está formado por materiales
de relleno dudoso, tales como antiguos lechos de ramajes o de materiales flexibles. También puede
añadirse que a menudo parece como si los que van a ser propietarios estuvieran resueltos a construir
estructuras demás importancia en los sitios más inoportunos y además con una sume de dinero
excesivamente escasa.
¿Ha de acobardarse el ingeniero frente a estas dificultades? ¿Debe retirarse a casa y esperar a
que aquellas desaparezcan? Lo que tiene que hacer es obtener toda la información posible acerca de los
problemas con que se enfrenta, determinar lo procedimientos que puede seguir, estudiar distintas
variantes que puede utilizar para soportar la estructura, prever la influencia probable de estas variantes,
estimar su costo aproximado, decidir sobre la viabilidad relativa de la construcción, aconsejar sobre lo
que él considera como mejor y, finalmente, explicar a sus clientes la naturaleza de los problemas y las
razones de sus recomendaciones.
Así pues, las decisiones importantes deben estar fundamentadas en el buen criterio y sentido
del ingeniero.1
1
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 1, sección 1-1, pp.17-18.
2
Definiciones
La palabra cimiento puede significar: 1) terreno o roca, in situ, sobre el que se transmiten las
fuerzas originadas por el peso propio de la estructura y sobrecargas que posteriormente actuarán sobre
la misma, 2) el conjunto total de las partes estructurales de la infraestructura por intermedio de las
cuales se transmiten al terreno o roca que las soporta el peso propio de la superestructura y las fuerzas
que actúan sobre ella o 3) una combinación de los dos conceptos anteriores.
No se puede determinar con claridad cuál es la línea de separación entre la superestructura y la
infraestructura, aunque comúnmente suelen definirse a dichas partes de la estructura como sigue:
Superestructura: Es la parte de la estructura que se construye con el fin principal de ser
utilizada por el hombre sin preocuparse de cómo será soportada por el suelo.
Infraestructura: Es la parte de la estructura que es necesaria para apoyar ala superestructura en
su emplazamiento y transmitir al terreno todas las fuerzas que origina dicha superestructura. 2
Antes de aventurarse a la elección de un tipo de cimentación, el ingeniero debe, cuando menos,
tener una idea de las características físicas, granulométricas, mecánicas, hidráulicas y demás
propiedades de interés que pudiera tener el suelo donde se pretende construir una determinada
estructura, tales como pueden ser la estratigrafía del suelo, la profundidad del nivel de aguas freáticas,
la ubicación geográfica del lugar en sí, su accesibilidad para la transportación de materiales, mano de
obra y equipo necesarios para la construcción, la puesta en práctica de ciertos tipos de técnicas
constructivas así como los posibles efectos que dicha construcción puede acarrear sobre su entorno
(efectos sociales, económicos, ecológicos, etc.)
Debe también considerar que para poder conocer las propiedades del suelo que sean de su
interés han de realizarse ciertos procedimientos que son tan importantes cono la construcción misma,
tales como pueden ser el levantamiento topográfico, los sondeos que sean necesarios, ya sean
preliminares o permanentes, la instalación de laboratorios in situ para la realización de pruebas a las
muestras, etc.
Existen varios tipos de cimentaciones, los cuales dependen entre otras cosas de su forma de
interactuar con el suelo, esto es, la manera en que transmiten al suelo las cargas que soportan, también
dependen de su técnica de construcción y del material con que son fabricadas así como del material,
mano de obra y equipo que se requiere para construirlas, que puede ser sencillo en algunos casos o
muy especializado en otros, lo que se refleja directamente en la dificultad para llevarlas a cabo y en su
costo.
También puede influir la situación económica del lugar de construcción o bien podría darse el
caso extremo de que la obra sea tan compleja y el terreno tan malo para construirla que sea necesario
desarrollar un tipo de cimentación muy especial. Aunque cada país ha generado ciertas técnicas
constructivas y de diseño muy particulares, basándose principalmente en sus necesidades y
experiencias propias, las cimentaciones pueden clasificarse de una forma muy generalizada como
indica el siguiente esquema:
2
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 1, sección 1-2, pagina 19.
3
Esquema 1: Clasificación general de las cimentaciones.
- Aisladas
- Zapatas
-Corridas
- De colindancia
Poco profundas
- Losas de cimentación
- Corridos
- Cimientos
mampostería
de piedra
- De colindancia
- Pilas puente
- Cilindros
- De punta
Cimentaciones
Profundas
- Pilotes
- De fricción
- De control
- Cajones de cimentación
Mixtas
Básicamente es una combinación de los
distintos tipos de cimentaciones, con el fin de
obtener una cimentación más eficiente o en su
caso más fácil de construir que un cimiento
muy complejo.
4
Cimentaciones poco profundas
Se clasifican como poco profundas o superficiales aquellas cimentaciones cuya profundidad no
es mayor que 3 metros, esto es que la excavación hecha en el suelo para su construcción no rebasa esa
altura.
Cimientos de mampostería de piedra
En nuestro país es común el uso de este tipo de cimentación, en pequeños negocios, casas de
menos de dos niveles, etc. En las zonas rurales con frecuencia se utilizan los cimientos de mampostería
de piedra, unidos con juntas de mortero cemento-arena o bien cal-arena. Estos cimientos son de dos
tipos: de un escarpio para muros de colindancia (bardas) y de dos escarpios para muros interiores. Esto
se ilustra en las figuras 1 y 2.3
Dado
Escarpio
Corona
Cimiento
Plantilla de concreto
pobre
Cimiento de mampostería de
piedra para muros interiores.
Base
Figura 1: Detalle de cimiento de mampostería.
Dado
Escarpio
Corona
Cimiento
Plantilla de concreto
pobre
Cimiento de mampostería de
piedra para colindancia
Base
Figura 2: Detalle de cimiento de mampostería para lindero.
3
www.arq.com.mx, página Web, octubre de 2003.
5
Zapatas
Definición
Una zapata es una ampliación de la base de una columna o muro y que tiene por objeto
transmitir la carga al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo. Las zapatas que
soportan una sola columna se llaman zapatas aisladas o individuales. La zapata que se construye
debajo de un muro se llama zapata corrida o continua. Si una zapata soporta varias columnas se llama
zapata combinada. Un tipo especial de zapata combinada que se usa comúnmente en el caso de que
una de las columnas soporte un muro exterior es la zapata en voladizo o en cantiliver.4
Historia de su evolución
Las zapatas representan la forma más antigua de cimentación, hasta mediados del siglo XIX la
mayor parte de las zapatas eran de mampostería de piedras unidas con mortero, aunque sí se construían
de piedra labrada en tamaños específicos, eran las llamadas zapatas de piedra labrada. Las zapatas de
mampostería eran muy útiles para casi todo tipo de construcciones, hasta que aparecieron los edificios
altos cuyas cargas en las columnas eran considerables, los que hizo necesario la construcción de
zapatas mas anchas y pesadas que representaban un problema tanto por el espacio que ocupaban como
para construirlas.
En los primeros intentos para construir zapatas que abarcaran grandes áreas, se utilizaban
emparrillados de madera para posteriormente construir zapatas de mampostería sobre ellos, eran las
llamadas zapatas de emparrillado. Con la aparición del concreto se pudo solucionar el problema del
peso y del espacio requerido, o cuando menos en parte sin embargo, hizo su aparición un nuevo
problema: la necesidad de utilizar acero de refuerzo. En los primeros intentos se utilizaron rieles de
acero de ferrocarril ahogados en el concreto, lo que disminuía el peso de la zapata, posteriormente los
rieles fueron sustituidos por vigas “I” de acero que si bien ocupaban un poco más de espacio eran más
económicas que los rieles de ferrocarril. Al aparecer el concreto reforzado a principios del siglo XX,
las zapatas de emparrillado fueron poco a poco cayendo en desuso para ser sustituidas por las de
concreto reforzado que son más eficientes y han predominado hasta nuestros días.5 Existen varias
formas de zapatas, los más comunes son las zapatas cuadradas y las rectangulares, algunos ejemplos de
estas zapatas se muestran en las figuras 3 y 4.6
El procedimiento general para desarrollar un proyecto y analizar las zapatas cuadradas y
rectangulares puede resumirse brevemente de la manera siguiente7:
1. Adóptese el tipo o forma de zapata que parezca servir al fin particular requerido.
2. determínese la superficie de apoyo adecuada que deba tener la zapata.
3. Adóptense todos los espesores y demás dimensiones de la zapata que se plantea, a base
de buen criterio y antecedentes.
4. Diséñese y calcúlese la zapata de tal manera que no pueda fracturarse por momento,
cortante o adherencia en la dirección WX (figura 5); hágase lo mismo para que tampoco
pueda fracturarse en dirección YZ. Si
estas dos direcciones resistentes son
suficientemente fuertes, la zapata probablemente no se romperá.
5. Compruébese el proyecto desde los puntos de vista económico y de interés general.
Peck, Ralph B. “Ingeniería de cimentaciones”, capítulo 10, página 221.
ídem
6
www.arq.com.mx, página Web, octubre de 2003.
7
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 5, página 130.
4
5
6
Dala de desplante
Zapata
Acero de refuerzo
plantilla de concreto
pobre
Vista en planta de una zapata corrida
Corte transverzal de una zapata
Dala de desplante
Zapata
Acero de refuerzo
plantilla de concreto
pobre
Vista en planta de una zapata corrida de
colindancia
Corte transverzal de una zapata de colindancia
Figura 3: Detalles de zapata de lindero.
Dala de desplante
Zapata
Acero de refuerzo
plantilla de concreto
pobre
Corte transverzal de una zapata aislada
Vista en planta de una zapata aislada
Figura 4: Detalle de zapata aislada.
7
Y
Y
W
W
Z
Z
Líneas de influencia imaginarias para una zapata cuadrada y una zapata rectangular
Figura 5: Líneas de influencia de zapatas.
Como se había mencionado, las zapatas se han convertido con el paso del tiempo en un tipo de
cimentación eficiente y con múltiples aplicaciones en la construcción de casi todo tipo de obras.
Cuando existe la necesidad de apoyar dos o más columnas en una misma zapata, se aconseja utilizar
una gran losa o zapata combinada en vez de una zapata de cimentación individual para cada columna.
Algunas de estas circunstancias son8:
1. Cuando una fila de columnas debe estar tan próxima al límite del terreno o construcción, que
las zapatas deben cargarse excéntricamente, puede disponerse entonces de una sola zapata
común, para cada pilar externo y su correspondiente de la fila interior contigua.
2. Cuando dos pilares están tan próximos uno del otro que sus correspondientes zapatas aisladas
pudieran casi traslaparse.
3. Cuando el diseñador quiere arriostrar dos zapatas entre sí para que resistan la subpresión, el
volteo o las fuerzas horizontales opuestas.
4. Cuando una estructura, tal como la de la pila de un puente está compuesta por dos o más
pilares apoyados sobre un suelo de baja capacidad de carga o sobre pilotes, de forma que
conviene disponer de una gran base común.
5. Cuando el principio de la acción de cargas combinadas pudiera ofrecer la construcción más
conveniente. Las circunstancias especiales encontradas en la ingeniería práctica varían
asombrosamente y cada proyecto deberá ser el mejor para el caso particular.
Zapatas aisladas sometidas a volteo
Al desarrollar un proyecto de una estructura prácticamente realizable se presentan muchos
casos en que las zapatas aisladas están sometidas a la acción de fuerzas verticales y de volteo. Cuando
estas últimas comparadas con las cargas verticales resultan pequeñas, el momento de volteo puede no
tomarse en cuenta, pues se supone que sus efectos están previstos por el factor de seguridad. No
obstante, es necesario hacer el estudio para ver si el volteo tiene o no importancia. Cuando se conoce
con cierta garantía el valor de la carga máxima que admite el terreno y se adopta un factor de
seguridad de 1.5 a 2 para establecer una presión unitaria P a considerarse en el proyecto, es lógico
8
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 5, página 142.
8
plantear la cuestión de que si P puede aumentarse un tanto por ciento para el cálculo de la cimentación
al considerar la acción simultanea de la carga permanente, sobrecarga y cargas laterales.9
Losas de cimentación
Definición
Una losa de cimentación es un a zapata combinada que cubre toda el área que queda debajo de
una estructura y que soporta todos los muros y columnas.
Cuando las cargas del edificio son tan pesadas o bien la capacidad de carga admisible en el
suelo es tan pequeña que las zapatas aisladas van a cubrir más de la mitad del edificio, es probable que
una losa de cimentación resulte más económica que las zapatas. Estas losas también se usan para
reducir el asentamiento de las estructuras situadas sobre depósitos muy compresibles como las arcillas.
En estas condiciones la profundidad a la que se desplanta la losa se hace a veces tan grande, que el
peso de la estructura más el de la losa está completamente compensado por el peso de la masa de suelo
excavado.
Comúnmente las losas de cimentación se proyectan como losas planas de concreto y sin
nervaduras, las cargas que actúan hacia abajo son las debidas a las columnas y muros. Si no hay una
distribución uniforme de las cargas de las columnas o bien el suelo es tal que pueden producirse
grandes asentamientos diferenciales, las losas deben reforzarse para evitar deformaciones excesivas.
La forma de refuerzo es simplemente utilizando muros divisorios como nervaduras de vigas T
conectadas a la cimentación, o bien usando marcos rígidos o haciendo celdas con trabes y contra
trabes, es entonces cuando se forman los llamados cajones de cimentación. En la figura 6 se muestran
a grandes rasgo los elementos que constituyen una losa de cimentación10.
Losa de entrepiso
Losa de
cimentación
Trabe
Contra trabe
Columna
Figura 6: Corte esquemático de una losa de cimentación.
Desventajas
Cabe mencionar que entre más grande sea la losa más costosos resultan los procedimientos
constructivos, en estos casos pudiera ser preferente una cimentación a base de pilas o pilotes. El costo
de construcción no es la única desventaja de este tipo de cimientos, al estar en contacto con el suelo
una gran área de la losa, es necesario protegerla contra la acción de la humedad, la acción de los álcalis
y la lixiviación entre otros fenómenos indeseables para el buen funcionamiento de la cimentación.
9
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 8, sección 8-6, página 259.
Ídem. Capítulo 7, sección 7-3, página 206.
10
9
Drenaje, impermeabilización y protección contra la humedad
Es casi inevitable que ocurran filtraciones de agua en los sótanos de los edificios, ya que es
precisamente esta parte de la construcción la que está en contacto directo con el suelo, más aún si
consideramos los posibles defectos de la construcción. También es importante el considerar las
condiciones de aguas freáticas del suelo al proyectar la profundidad de la excavación necesaria para
desplantar la losa o cajón de cimentación. Si debe desplantarse por debajo del nivel freático, deben
tomarse precauciones especiales para evitar filtraciones importantes dentro de la estructura. En general
se utilizan dos métodos: la utilización de drenajes y la impermeabilización.
Drenajes
Los drenajes son bastante útiles cuando las filtraciones son pequeñas ya que es fácil evacuar el
agua acumulada a bajo costo, frecuentemente por gravedad, por medio de albañales o zanjas. Entre los
drenas más comunes están los en zapatas y los de piso, los drenes en zapata se fabrican con tramos
cortos de PVC con pequeñas perforaciones que se tienden en zanjas cavadas a un lado de la base de la
zapata para ser rellenadas posteriormente con material de filtro; los últimos 30 cm de relleno se hacen
con material menos permeable para evitar que se filtre el agua de la superficie.
Los drenes de piso no son muy comunes sin embargo, es posible que hayan flujos de agua por
debajo de la losa por lo que se aconseja el uso de drenaje. Estos drenes no deberán conectarse a tubos
de bajadas pluviales ni a drenes superficiales.
Impermeabilización
Si la cantidad de agua que se colecta en los drenes es muy grande, es recomendable el uso de
impermeabilizantes en el sótano y permitir que la losa quede sujeta a la presión del agua freática. Uno
de los métodos más eficientes es el de membrana, que consiste en colocar una membrana de material
asfáltico cerca del exterior del edificio. El material asfáltico se aplica en caliente y es bastante flexible
y lo suficientemente dúctil como para mantener su integridad en caso de que se presenten pequeños
agrietamientos en la estructura. Para que la membrana sea totalmente efectiva debe cubrir en su
totalidad la superficie de la estructura que esté en contacto con el agua, para ello se requiere la
construcción de un sub-piso sobre el cual se coloca la membrana antes de construir la losa como tal.
Los muros y pisos que quedan dentro de la membrana están sometidos a la acción de la presión del
agua, por lo que deben diseñarse para soportar dichas acciones. Actualmente pueden utilizarse otros
tipos de impermeabilizantes especiales o bien pueden usarse aditivos para disminuir la permeabilidad
del concreto como el humo de sílice y/o escorias de silicio.11
11
Peck, Ralph B. “Ingeniería de cimentaciones”, capítulo 10, sección 10.6, pp. 224-226.
10
Cimentaciones profundas
Pilas y cilindros
Definición
En la ingeniería de cimentaciones el termino pila tiene dos significados diferentes. De acuerdo
con uno de sus usos la pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple una
zapata, es decir transmitir las cargas que soporta al suelo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la
relación de la profundidad de la cimentación con respecto a la base de las pilas es por lo general mayor
que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es menor que la unidad.
De acuerdo con su segundo uso, una pila es el apoyo, ya sea de concreto o de mampostería para
la superestructura de un puente. Puede considerarse a la pila en sí misma, como una estructura que a su
vez debe estar apoyada sobre una cimentación adecuada. La base de una pila puede descansar
directamente sobre un estrato firme o puede estar apoyada sobre una serie de pilotes. Los cuerpos de
pila situados en los extremos de un puente reciben el nombre de estribos. En la figura 7 de muestra un
detalle del uso de pilas en puentes.12
Figura 7: Uso de pilas en puentes.
Las dimensiones del cuerpo de una pila están restringidas entre otras cosas por la magnitud de
las reacciones de lo apoyos, la distancia para la dilatación de la superestructura y la distancia entre
armaduras y trabes. Hay varios tipos de pilas: las llenas de usan regularmente en puentes ferroviarios,
las dobles de adaptan muy bien a puentes carreteros y las pilas T suelen usarse para librar claros sobre
vías de ferrocarril o carreteras.13
Elección del tipo de puente y pila
Entre todas las soluciones posibles, ¿cómo ha de elegirse el mejor proyecto de puente para un
caso particular? En la práctica el planteamiento del proyecto de los cimientos –pilas y estribos- y de la
superestructura constituye un problema general en el que cada parte está influenciada y depende de
cierta forma por las otras.
12
13
www.construaprende.com, página Web, octubre de 2003.
Peck, Ralph B. “Ingeniería de cimentaciones”, capítulo 14, sección 14.1, página 285.
11
En primer lugar el puente ha de tener cierta capacidad y resistencia para satisfacer el tráfico
que transita, además deberá de ser la más apropiada, económica, factible para su construcción y tendrá
que satisfacer ciertas características estéticas y de vida útil.
Entre las cosas más importantes que deben tomarse en cuenta para la elección de las
características básicas de la estructura y cimentación de un puente, figuran las siguientes 14:
1. Los grandes claros horizontales y verticales necesarios para la navegación (cuando el
puente cruza un brazo de mar o río) pueden afectar el planteamiento del proyecto de tal
manera que únicamente son factibles las estructuras de tramos largos y altos.
2. Es posible que se requiera una estructura de gran altura y con tráfico continuo, por lo que es
conveniente utilizar algunos puntos altos de cimentación y de tramos altos.
3. Los accesos largos y elevados pueden resultar mucho más costosos que es posible que
convenga más una estructura de un nivel más bajo y un tramo o tramos móviles.
4. Los puentes de tablero superior proporcionan una mejor vista del paisaje que los de tablero
inferior, especialmente en los puentes carreteros de manera que, si los claros verticales no
son importantes para tramos de igual longitud, los arcos y /o vigas rectas de los puentes de
tablero superior resultan más económicas que las de tablero inferior además, se requieren
pilas más pequeñas.
5. Debe tomarse en cuenta la elección del material para la construcción, ya sea concreto o
acero, ya que cada uno, además del costo, es particularmente apto para ciertos tipos de
estructura.
6. La topografía del terreno influye claramente en el diseño de la cimentación y en algunos
casos puede ser de utilidad en la construcción de la misma.
7. La cantidad de fondos disponibles para el proyecto, si bien puede condicionar muchas de
las acciones del ingeniero, no es una excusa para que se deje de lado la seguridad de la
obra, antes, durante y después de su construcción.
8. El tipo de tráfico también puede ser una limitante en el diseño de la estructura, por ejemplo
un puente ferroviario requiere de una estructura rígida, de manera que es más aconsejable el
empleo de vigas robustas y pilas adecuadas.
9. Las preferencias personales del propietario, del arquitecto y las del propio ingeniero pueden
tener gran importancia al hacer la elección.
Es importante mencionar que, para estimar las cargas que han de utilizarse en el análisis
preliminar de las pilas y estribos deberán considerarse básicamente tres tipos de cargas15:
o
o
o
o
Cargas muertas o peso propio de la estructura.
Cargas vivas o variables, como son el paso de los vehículos a ciertas horas.
Cargas accidentales, como las fuerzas sísmicas, de viento, oleaje y nieve.
Cargas imprevistas como impactos y explosiones.
Hay pilas huecas, macizas, dobles y de variadas formas, todas ellas según las necesidades del
constructor sin embargo, la elección de una u otra forma de pila trae consigo ciertos problemas
constructivos, sobre todo si se van a utilizar en puentes marítimos, pues el oleaje intenso, las mareas y
la sola presencia del agua son obstáculos difíciles de superar y en ocasiones es necesario utilizar
equipo especializado para la excavación e hinca de ciertos tipos de pilas.
14
15
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 13, sección 13-7, pp. 616-17.
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 13, sección 13-8, pp. 621-32.
12
Métodos de construcción
Existen dos grandes grupos para la construcción de pilas: las pilas ademadas o estibadas y las
pilas de cajón.
Las pilas estibadas se construyen cavando un pozo hasta el nivel de desplante de la cimentación
y se construye la pila dentro del mismo. Las paredes del pozo excavado deben ademarse para evitar
que se derrumben al construir la pila, pueden estibarse con forros metálicos cilíndricos o bien
tablestacas. La perforación puede hacerse de varias formas, como por ejemplo utilizando un líquido
espeso en vez de ademe (lodo bentonítico) o bien por medio de maquinaria y, en caso de que la pila
deba colocarse sobre la superficie del mar, puede usarse una ataguía que sirva de protección –esto es
que contenga el agua alrededor de la excavación- mientras se construye la pila.
Por otro lado, las pilas también pueden construirse utilizando cajones, esto es cajas o cilindros
que se hincan hasta cierta profundidad y sirven como cimbra de la pila y forro exterior cuando ésta
queda terminada. El material dentro del cajón puede extraerse a mano o bien por dragado, también
puede inyectarse aire comprimido en el extremo inferior del cajón formando una cámara hermética lo
que facilita la limpieza del fondo de la excavación sin embargo, este procedimiento conocido como
método del aire comprimido puede tener riesgos para la salud de los trabajadores.
Cuando debe trabajarse en suelos con alto contenido de arcillas con poca presencia de agua
puede utilizarse el método Chicago, que es similar al método de ademado. En éste método los ademes
son de forma circular y se pueden hacer de madera o binen de metal, cuando se ha alcanzado cierta
profundidad puede colocarse otro forro o ademe del mismo material hasta alcanzar la profundidad de
desplante, cuando se ha llegado a este punto puede ampliarse el fondo excavado o acampanarse con el
fin de aumentar el área de apoyo de la pila. Los ademes sirven como cimbra al llenar la perforación de
concreto. Algunos tipos de pilas se muestran en la figura 8.16
Pila maciza
Pila triple, para cuatro vigas entramadas.
Pila con dos soportes y dintel
Pilas con voladizos para puente doble
Figura 8: Algunos tipos de pilas para puentes.
16
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 13, sección 13-7, pp. 618-20.
13
Pilotes
Definición
Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal pequeña en
comparación con su longitud. Se hincan en el suelo a base de golpes generados por maquinaria
especializada, en grupos o en filas, conteniendo cada uno el suficiente número de pilotes para soportar
la carga de una sola columna o muro.17
Función de lo pilotes
Fundamentalmente los pilotes son parte de la infraestructura y pueden utilizarse para
transmitirlas cargas de la superestructura y las del resto de la infraestructura a través de estratos se
suelos flojos e inconsistentes, agua o aire hasta estratos cuya capacidad de carga sea capas de soportar
dichas cargas. Evidentemente los pilotes se utilizan cuando las condiciones del suelo no son adecuadas
para el empleo de zapatas o losas de cimentación o cuando la construcción de estas en los lugares
dispuestos para su emplazamiento son inadecuadas, antieconómicas o bien no viables. Por
consiguiente los pilotes van generalmente asociados con problemas difíciles de cimentación y con las
condiciones peligrosas del suelo. Sin embargo, esto no significa que las cimentaciones sobre pilotes
sean peligrosas, es una advertencia para los inexpertos e imprudentes, particularmente para los
propietarios y constructores. El planteamiento de una cimentación con pilotes –y frecuentemente la
realización de ésta- requiere obtener todos los datos que puedan conseguirse de un modo razonable
sobre las características del suelo sobre el que se va a cimentar, estudiar y comprobar las posibles
soluciones para la cimentación, eliminar hasta donde sea posible, toda incertidumbre que pueda
evitarse y respetar el sano criterio profesional de la ingeniería. 18
Tipos de pilotes
Los pilotes se construyen en una gran variedad de materiales, longitud y forma de su sección, y
que se adaptan a diversas necesidades de carga, colocación y economía. Entre algunos de los más
comunes tenemos19:
1. Pilotes de madera: Son el tipo de pilote mas antiguo, ya desde la época del Imperio Romano se
utilizaban. Proporcionan una cimentación segura y económica con ciertas restricciones, su
longitud esta limitada por la altura de los árboles disponibles. No pueden resistir esfuerzos
debidos a un fuerte hincado ya que pueden romperse fácilmente, sobre todo cuando se penetran
estratos muy resistentes.
2. Pilotes de concreto: Son de los más usados en la actualidad, los hay de sección circular,
cuadrada y octagonal y en tamaños de 8, 10 y 12 metros. Pueden dividirse en dos categorías:
colados en el lugar -in situ- y precolados. Los colados en el lugar pueden ser con o sin ademe.
Los precolados pueden ser también preesforzados con el fin de reducir las grietas que se
forman por el manejo e hincado además de que proporciona resistencia a los esfuerzos de
flexión. Todos los pilotes de concreto son reforzados con acero apara evitar que sufran daños
durante su transportación y colocación.
3. Pilotes de acero: Los tubos de acero se utilizan mucho como pilotes y usualmente se llena de
concreto después de hincados, y si el hincado es violento es posible utilizar perfiles I o H de
acero. Estos pilotes están sujetos a corrosión, aunque el deterioro no es significativo aunque si
se hincan bajo el mar, la acción de las sales puede ser importante.
Peck, Ralph B. “Ingeniería de cimentaciones”, capítulo12, página 239.
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 9, página 335.
19
Peck, Ralph B. “Ingeniería de cimentaciones”, capítulo12, pp. 239-41.
17
18
14
Ventajas y desventajas
Algunas de las desventajas que presentan los pilotes son:



La dificultad de aumentar o reducir su longitud en caso de que ésta no sea bien estimada.
Es difícil saber a simple vista cuando un pilote ha fallado, ya que no es necesario que el pilote
desaparezca en las profundidades subterráneas ni tampoco que se rompa o doble.
Si un pilote es colocado en un lugar equivocado, ya no es posible su extracción para
reutilizarlo.
Algunas de las ventajas en el uso de pilotes son:


Resultan convenientes cuando las condiciones del suelo no son favorables para la utilización de
otro tipo ce cimentaciones.
Proporcionan buenas soluciones para la distribución de cargas en el subsuelo ya que pueden
trabajar individualmente o en grupos de pilotes.
Funcionamiento general de un pilote bajo carga
Un pilote puede hincarse dentro de un estrato profundo de suelo granular u cohesivo, cuando se
carga un pilote con una carga vertical P aplicada sobre el cabezal del mismo, éste tiende a penetrar
más dentro del suelo, lo que genera un cierto comportamiento bajo carga. Los pilotes se pueden
clasificar cono pilotes de punta y pilotes de fricción. Un pilote de punta obtiene casi toda su capacidad
de carga de la roca o estrato de suelo que está cerca de la punta y muy poca del suelo que rodea su
fuste. Por otra parte, un pilote de fricción adquiere su capacidad de carga principalmente del suelo que
lo rodea, ya que se generan fuerzas friccionantes y cohesivas que le ayudan a soportar la carga, ya que
el suelo que está cerca de la punta soporta un porcentaje muy pequeño de la carga del pilote.
Hay pilotes de varias formas de sección, como ya se había mencionado, así como también hay
pilotes cuyo tamaño de sección cambia con la longitud del mismo y son lo pilotes cónicos, éstos tienen
una gran ventaja ya que al hincarse una parte de la carga es soportada por la punta del pilote mientras
el resto de la carga es soportada por las fuerzas cohesivas y de fricción que hay entre el fuste del pilote
y el suelo que lo rodea.20
Como se dijo anteriormente, los pilotes también pueden trabajar en conjunto, Si los pilotes son
de punta cada uno trabajará como un pilar y descargará directamente sobre el suelo o roca; silos pilotes
son de igual tamaño, sección, inclinación y penetración, puede suponerse hasta cierto punto que cada
uno soportará la misma carga.
Elección del tipo de pilote
La manera de elegir un determinado tipo de pilote se basa en las condiciones del subsuelo, las
características de hincado del pilote, el comportamiento esperado de la cimentación y la economía;
éste último aspecto debe basarse en el costo total de la cimentación y no únicamente en ele costo de los
pilotes.21
20
21
Peck, Ralph B. “Ingeniería de cimentaciones”, capítulo 12, sección 12.4, pp. 249-51.
Ídem.
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Tipos de cargas en pilotes
La mayoría de las estructuras están sometidas a un conjunto de cargas combinadas y no
únicamente a cargas verticales o laterales, por esta razón las cimentaciones deben ser capaces de
soportar momentos. Debajo de estructuras como muros de compuertas, muros de sostenimiento y
edificios ordinarios se producen fuerzas verticales hacia abajo causadas por el peso de la estructura y
que suelen ser mucho mayores que las fuerzas hacia arriba producidas por los momentos provocados
por las cargas laterales. Por otro lado, los pilotes situados del lado de sotavento de las torres altas de
acero o depósitos para almacenar gas del tipo de pistón, puede considerarse que producen una
reacción que contrarresta las fuerzas verticales hacia arriba.
Cuando deben transmitirse al subsuelo fuerzas laterales por medio de un a cimentación
piloteada, es importante el decidir si se deben hincar algunos pilotes inclinados. Esta decisión debe
basarse en la capacidad de los pilotes para soportar cargas laterales. Cuando las cargas laterales por
pilote exceden a la carga vertical que puede soportar un pilote vertical, es necesario utilizar pilotes
tanto verticales como inclinados. Los pilotes inclinados se usan comúnmente en los estribos y pilas de
puentes, en los muros de contención y para proporcionar estabilidad a olas filas transversales de
pilotes.
Cuando se usan pilotes verticales e inclinados, y si están hincados a la misma profundidad y
trabajan por punta, se puede suponer que la capacidad de carga axial de cada uno de ellos es la misma;
cuando los pilotes son de fricción puede hacerse la misma suposición bajo las mismas condiciones.22
En la tabla 1 se indican algunos valores del rozamiento superficial en pilotes según el tipo de
suelo en que se usen.
Rozamiento superficial [kg/m2]
Tipo se suelo
Prof. Aprox.
Prof. Aprox.
Prof. Aprox.
6m
18m
30m
Limo blando y lodo orgánico denso
240-490
240-590
290-730
Limo (húmedo, pero confinado)
490-980
610-1220
730-1460
Arcilla blanda
980-1460
1220-1710
1460-1950
Arcilla dura
1460-2440
1710-2680
1950-2930
Arcilla arenosa
1460-2440
1950-2930
2440-3420
Arena fina
1460-1950
1710-2440
1950-2930
Arena media y gravilla
2440-3420
2930-3910
2930-3910
23
Tabla 1: Valor aproximado del rozamiento superficial en lo pilotes.
En la figura 9 se muestran algunos esquemas del comportamiento de los pilotes bajo carga.
22
23
Peck, Ralph B. “Ingeniería de cimentaciones”, capítulo 12, sección 12.6-7, pp. 263-64.
Dunham, Clarence W. “Cimentaciones de estructuras”, capítulo 9, sección 9-1, página 338.
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Pilote de fricción
Pilote de punta
Grupo de pilotes
Figura 9: Forma de trabajo de los pilotes.
Conclusiones
En la elaboración de este trabajo se han tratado de visualizar a grandes rasgos los distintos tipos de
cimentación que existen y se utilizan comúnmente, sus ventajas y desventajas. La elección de alguno
de alguna de estas cimentaciones o combinación de ellas dependerá en parte de lo complejo del
problema de cimentación a resolver, del tipo de suelo en que se trabaje, de los recursos –humanos,
tecnológicos, económicos, etc.- con los que se cuente y de la experiencia y criterio del constructor,
quien debe anteponer sobre todo, la seguridad y buen funcionamiento de la cimentación.
Bibliografía
1. Peck, Ralph B.
Hanson, Walter E.
Thornburn, Thomas H.
”Ingeniería de cimentaciones”.
Limusa Noriega Editores.
México 1995.
Octava reimpresión.
2. Dunham, Clarence W.
“Cimentaciones de estructuras”.
Madrid, España 1968.
Ediciones del Castillo S. A.
Segunda edición del original en ingles publicado por The McGraw-Hill Book Company Inc”.
U. S. A. 1962.
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