Pilas en arcilla.

La carga máxima neta y las presiones admisibles que puede soportar un depósito de arcilla en la base de una pila, pueden determinarse en forma semejante a la utilizada para Las zapatas. Sin embargo, para pilas, la relación de la profundidad de la cimentación al ancho de la base es grande; usualmente, es mayor de

4. De acuerdo con la fig. 18.2, si la relación Df/B es igual o mayor que 4, no tiene influencia en el factor de capacidad de carga N. Por lo tanto, para las pilas, la capacidad de carga máxima qd (ec. 18.2) puede representarse como: 

Si la pila es cuadrada o circular, si c es la resistencia no drenada al esfuerzo cortante igual a qu /2, y si se desea un factor de seguridad de 3, la ec. 18.6a se convierte en: 

Los valores de qa obtenidos de la ec. 18.6b son iguales a 1.2 veces los obtenidos de la fig. 18.3 a lo largo de la línea Df/B = 4.

Frecuentemente se encuentra un estrato adecuado para apoyar pilas sólo a gran profundidad, debajo de suelos demasiado débiles o compresibles para que participen en el apoyo de las cargas permanentes de la pila. Sin embargo, las ecs. 18.6a y 18.6b son todavía aplicables, siempre que la pila se desplante a una profundidad de cuando menos 4B abajo del lecho superior del estrato de apoyo. Cuando las profundidades de penetración son menores, puede usarse la fig. 18.3, pero debe considerarse Df, la profundidad de penetración de la base de la pila en el estrato resistente. 

En otros casos, el material de cimentación puede ser arcilla relativamente firme extendiendose hasta gran profundidad. Pilas de cuerpo recto pueden construirse en perforaciones hechas a una profundidad suficiente para que desarrollen la fricción lateral necesaria para soportar una gran porción de la carga. La magnitud de la fricción lateral que puede desarrollarse, depende de varios factores, incluyendo la resistencia al esfuerzo cortante de la arcilla inalterada, el grado en que se ablanda la arcilla con el agua que absorbe de la atmósfera, de las operaciones de perforación, del concreto colado en la perforación, del remoldeo que esta última produzca y de que se forme o no una capa de arcilla remoldeada en las paredes de la excavación. Las relativamente pocas pruebas a escala natural de que se dispone (Skempton, 1959; Woodward y colaboradores., 1961), sugieren que la fricción lateral máxima Ca por unidad de área puede tomarse como:

donde αi varía entre 0.3 y 0.5, y puede tomarse generalmente como 0.45, y c es la resistencia al corte no drenada, promediada a lo largo de la pila. Debido a la posibilidad de reblandecimiento, no debe permitirse que el valor de Ca exceda de 10 tons/m2+ La carga total que resulta de la fricción lateral puede calcularse multiplicando Ca (ec. 18.7) por el área del fuste de la pila.

La capacidad máxima total de una pila (fig. 18.5) puede obtenerse sumando la fricción lateral total a la resistencia máxima de la arcilla en la base de la pila. La resistencia en la base püede determinarse de la presión máxima (ec. 18.2), multiplicada por el área de la base. Cuando se utilice la fricción para soportar aunque sea una pequeña porción de la carga, Df debe tomarse como cero en la determinación de N (ec. 18.2 y fig. 18.2), debido a que la arcilla que rodea la pila no puede producir fricción hacia arriba, y al mismo tiempo proporcionar una sobrecarga efectiva hacia abajo (fig. 18.5). Es una técnica común dividir tanto Ca (ec. 18.7) como qd (ec. 18.2), por el factor de seguridad deseado y para obtener las capacidades admisibles del cuerpo y de la base por separado. Como aproximación razonable se toma la suma de las capacidades como la carga total admisible en la pila.

Si la pila tiene una campana en la base, sólo debe considerarse la parte recta de la pila para calcular la capacidad por fricción lateral. El ancho B se toma como el diámetro de la campana en todas las determinaciones de las presiones máxima y admisible, y en el cálculo del área y de la capacidad total de la base de la pila. La resistencia al esfuerzo cortante no drenada de la arcilla, usada para el proyecto, deberá de ser el promedio de los valores en la profundidad B abajo del fondo de la campana. Sin embargo, deberá considerarse por aparte la influencia de cualesquiera zonas blandas que queden bajo dicha campana.

El factor de seguridad contra la falla de las pilas en arcilla, deberá ser igual a 3 en las condiciones de carga máxima que puedan esperarse normalmente, y no deberá ser menor de 2 bajo las combinaciones de carga mas severas.

Como la presión neta es función del peso total de la pila, con frecuencia resulta ventajosa una pila hueca. 

Figura 18.5 fuerzas actuantes en las pilas profundas en arcilla a) Pila de cuerpo recto; b) con campana.

Cuando las pilas se construyen hincando cajones a través de depósitos de arcilla blandos, debe conocerse la fricción lateral para poder juzgar si el cajón puede llegar a pegarse en cualquier punto de su hincados No se han encontrado métodos teóricos suficientemente seguros para estimar la fricción lateral. La mayor parte de la información disponible se ha obtenido del conocimiento de las cargas necesarias para hacer descender cajones que se habían pegado. La fricción varía de 700 a 3 000 kg/m2 en limo y arcilla blanda y de 500 a 20 000 kg/m2 en arcilla muy firme. Aun cuando se disponga de datos adquiridos por experiencia en obras cercanas, debe tenerse cuidado al aplicar la información a una nueva, porque la fricción total depende de numerosos factores, incluyendo la forma y el diámetro de la parte inferior del cajón y el método de excavación. 

 

Figura 18.6  Relación entre golpes por cm de penetración y la profundidad total para pilotes de madera. Hincados a) en arcilla blanda de gran espesor b) en estratos blandos, descansando en arcilla muy firme o dura y c) en estratos de arcilla que aumentan en firmeza con la profundidad.

Fustes o Cuerpos de las Pilas.

Las dimensiones de la parte superior del cuerpo de una pila para un puente están determinadas por consideraciones prácticas, como la magnitud de las reacciones en los apoyos, la distancia necesaria para la dilatación de la superestructura y la distancia entre armaduras o trabes. Frecuentemente, las pilas llevan en la parte superior, una corona que sobresale 15 cm de las aristas del cuerpo. Si la pila atraviesa una masa de agua, su forma debe hacerse aerodinámica abajo del nivel de las aguas máximas para evitar la formación de remolinos y la socavación.

En las grandes latitudes, el tajamar de aguas arriba puede estar provisto de una arista inclinada para levantar y romper los bloques de hielo. Por cuestión de apariencia, algunas veces se da al cuerpo de las pilas un ligero escarpio.

Las pilas llenas, (fig. 14. la), se usan comúnmente en los puentes para ferrocarriles. Las dobles (figs. 14.1 b y 14.l c) se adoptan para los puentes de las carreteras, aunque las del tipo b se usan también para ferrocarriles. Las pilas en T, (fig. 14.ld) son uno de los varios tipos que se usan para evitar los claros esviajados al pasar sobre vías de ferrocarril o carreteras.

La mayor parte de los puentes modernos son de concreto reforzado. Como protección contra lo elementos, algunas veces se usa un recubrimiento de mampostería, especialmente cerca de la superficie del agua.

Aunque las pilas de subestructura comúnmente se consideran como parte de la misma, no son parte de la cimentación en el sentido de que su proyecto requiera considerar las propiedades de los materiales del subsuelo.

Condiciones para Tener Éxito - Pilas Coladas sin Molde.

En los párrafos anteriores se han enumerado varias condiciones en las que pueden preverse las dificultades de construcción y sus defectos correspondientes. Muchas de éstas dependen de las condiciones del subsuelo en el lugar. Cuanto mayor sea la probabilidad de que se presenten estas dificultades, menor es la justificación para usar las pilas.

Por otra parte, cuando no son probables estas dificultades, las cimentaciones de pilas pueden resultar extremadamente satisfactorias y económicas. Además de la naturaleza de las condiciones del suelo, la pericia del contratista y la clase de equipo tienen una gran influencia en el éxito del trabajo. Con buenas técnicas se hacen más rápidamente las excavaciones y menor es la probabilidad de que aparezcan defectos. Las malas técnicas pueden producir malos resultados, aun cuando las condiciones del suelo sean relativamente buenas. En con traste con el equipo adecuado, el equipo muy ligero o de insuficiente potencia para afrontar las condiciones del suelo puede ser la causa de una excavación más lenta, de mayores dificultades con el agua subterránea y derrumbes, mayor costo, y de pilas defectuosas.

Pérdida de Terreno - Pilas Coladas sin Molde.

La pérdida de terreno que se produce con las excavaciones se estudia en el cap. 16. En la construcción de pilas, no es probable que la pérdida de terreno sea una cuestión seria, a menos que los suelos circunvecinos sean arcillas plásticas relativamente blandas o limos que puedan fluir hacia dentro de la perforación o arenas y limos sin cohesión que puedan ser arrastrados por el flujo de agua.

Si los agujeros se hacen en arcillas blandas con la ayuda de un lodo para perforar, éste reduce el movimiento hacia adentro de la arcilla. Frecuentemente se coloca el ademe en la perforación para poder extraer los lodos y colar en seco. Si se deja el ademe en su lugar, el suelo que lo rodea puede invadir gradualmente el anillo de lodo que se forma alrededor del ademe y el asentamiento producido por la construcción de un gran número de pilas puede ser excesivo. Puede ser necesario inyectar cemento detrás del ademe para llenar el espacio y reducir la pérdida de suelo.

Pueden encontrarse zonas permeables sin cohesión debajo del nivel del agua freatca en perforaciones que de otra manera estarían secas y en tal caso, ocurrirían grandes filtraciones antes de poder controlar el agua. Los limos y las arenas son arrastrados fácilmente hacia la perforación en estas condiciones. Frecuentemente el material puede migrar desde una distancia considerable. Si proviene de terrenos situados bajo otras estructuras, pueden producirse asentamientos serios. Además, si el material proviene de debajo de otras pilas de la cimentación que está siendo construida, podrán llegar a desarrollarse asentamientos de importancia en ella, cuando se complete su carga. El control del agua subterránea por medio de pozos filtrantes es preferible al bombeo del agua de los pozos que se están excavando para las pilas. En algunos casos, se ha utilizado cemento y la inyección de sustancias químicas para estabilizar los suelos antes de hacer las perforaciones para pilas en materiales susceptibles de erosión interna. Aunque se han obtenido éxitos notables con este procedimiento, frecuentemente ha fallado. Su uso se reserva generalmente para las emergencias.

Inspección - Pilas Coladas sin Molde.

Debido a que los detalles de construcción tienen una influencia decisiva en el comportamiento de las pilas coladas sin molde, al grado que desviaciones de aparente poca importancia de la mejor téciica pueden invalidar un proyecto bien concebido, la inspección tiene un papel extraordinariamente importante, especialmente si las pilas son profundas o no pueden perforarse y colarse en seco.

Durante la excavación, el inspector debe asegurarse que los cuerpos de las pilas estén dentro de las tolerancias de verticalidad y de dimensiones, que las paredes de la perforación no se hayan derrumbado, que el fondo se haya limpiado adecuadamente, que la campana esté correctamente formada e intacta, que la naturaleza de los materiales de la base de la pila corresponda con la que se consideró en el proyecto y que el agua subterránea esté correctamente controlada.

Si se usa lodo al hacer la perforación, el inspector debe comprobar que el equipo de bombeo es adecuado, que se han instalado las coladeras adecuadas para quitar el material grueso del líquido circulante y que la consistencia inicial del lodo es la adecuada. Durante la perforación, debe comprobarse continuamente la consistencia y observar la naturaleza de los materiales que lleva el líquido.

Para inspeccionar los materiales de la campana y del fondo, es necesario que el inspector baje a la perforación. Aun en un agujero seco, esto no debe hacerse sin protección. Si la perforación no está ya ademada, usualmente se suspende un ademe de una grúa y se baja en ella. Deberá tenerse para uso del inspector el equipo adecuado y un cable adicional de seguridad.

La inspección del fondo es potencialmente peligrosa. Frecuentemente se acumulan en el fondo de las perforaciones gases explosivos o venenosos. Cualquier persona que descienda en el agujero debe exigir los medios para descubrirlos y la ventilación necesaria. Las leyes especifican las precauciones mínimas y las sanciones por no acatarlas pueden ser severas, especialmente si ocurren accidentes.

El agua bombeada de la perforación debe dejarse asentar en un depósito que permita al inspector juzgar si se están erosionando finos y en que cantidad.

El concreto se transporta usualmente en camiones con mezcladoras. Debido a la influencia de las propiedades del concreto fresco en la calidad final de la cimentación, especialmente si se va a sacar el ademe, el inspector deberá dar especial atención al revenimiento y a la comprobación de que el tiempo de mezclado no es excesivo. Deberá hacer cuando menos un cilindro de cada carga de camión. Asimismo, comprobar que el concreto cae libremente sin golpear en los lados de la excavación ni en el refuerzo. Si el concreto se cuela con embudo de trompa de elefante, deberá comprobarse que el extremo del tubo esté introducido en el concreto lo necesario.

La mayor vigilancia se requiere durante la extracción del ademe. La observación directa de la elevación de la superficie superior del concreto es difícil. Deberán idearse testigos y dispositivos de sondeo que se adapten a las condiciones del trabajo; en pilas grandes, algunas veces es posible que el inspector descienda, con la protección adecuada hasta dentro del ademe. Si sube la superficie del concreto aun momentáneamente cuando se está sacando el ademe, es casi cierto que ha penetrado en el agujero material extraño, como lodo, agua, o suelo y ha creado un defecto. La aparición de una depresión en torno a la parte superior del ademe es casi una indicación segura de la invasión de material extraño. Para completar la observación directa, se debe hacer una comparación del volumen del concreto y el volumen de la perforación. 

Si se nota un movimiento hacia arriba en el concreto dentro del ademe o si existen algunas otras indicaciones de que existen defectos, ya no debe sacarse más el ademe y la parte del mismo que todavía está en el terreno debe dejarse en su lugar. El concreto de esta pila debe muestrearse para conocer la naturaleza de los defectos que pueda tener y para proporcionar datos para determinar el remedio que conviene aplicar.

Extracción del Ademe - Pilas colocadas sin Molde.

Como el ademe es costoso frecuentemente se saca conforme se va colando el concreto. Este procedimiento, a menos que Se controle con el mayor cuidado, conduce a serios defectos en las pilas coladas. No debe intentarse si el concreto se colé con trompa de elefante. 

La operación se efectúa usualmente, sacando el ademe lentamente al irse colando el concreto, debiéndose mantener todo el tiempo el extremo inferior del ademe cuando menos a 1.50 m abajo de la superficie del concreto de la pila. Se necesitará una distancia mayor, si la presión del concreto va a ser menor que la ejercida por el suelo circundante o por el fluido de perforación. De lo contrario, el material circundante invadirá el concreto fresco o reducirá el diámetro de la pila, o el concreto ya no se apoyará firmemente contra el suelo. Fi ademe debe mantenerse vertical durante la extracción, para evitar que se mueva el refuerzo y que se mezcle el suelo con el concreto en los lados de la pila. Des pués de comenzar el colado, la extracción deberá hacerse dentro de una hora, antes de que el concreto adquiera su fraguado inicial. Si ocurre un retraso mayor que este periodo, ya no deberá extraerse el ademe y la porción que no se ha extraído todavía deberá cortarse.

Intervienen muchos factores para decidir si se extrae el ademe. Si el ademe se ha instalado en un agujero perforado con la ayuda de lodo, usualmente puede sacarse con facilidad. Por otra parte, si no se ha usado lodo habrá que girar el ademe para que se suelte; la adherencia entre el ademe y el suelo puede producir retrasos, e impedir. que el ademe se saque en forma regular. Entonces puede ser preferible insertar un forro delgado de acero corrugado en la perforación, colar el concreto, llenar el espacio entre el forro y el ademe con lechada o arena y finalmente sacar el ademe. Si la pila se prolonga a través del suelo hasta la roca en la que ha penetrado el ademe, es preferible dejar a este en la roca y cuando menos en la porción inferior del suelo. De acuerdo con algunos reglamentos de construcción, puede incluirse la resistencia del ademe de acero al calcular la capacidad de carga de la pila. Pudiendo entonces reducir el diámetro de la pila y la cantidad del refuerzo. Si la roca es capaz de soportar la mayor intensidad de la presión correspondiente al área de apoyo reducida, la ventaja económica de recuperar el ademe disminuye mucho. 

Algunos de los defectos más importantes de las cimentaciones en estos ultimos anos se han debido a los intentos para recuperar ademes durante el colado, especialmente en las pilas profundas. A menos que las condiciones sean razonablemente favorables y que la supervisión y control sean los mejores, la técnica debe evitarse. El costo del ademe puede resultar insignificante en relación con el costo del daño que puede hacerse con una pila defectuosa.

Colado - Pilas colocadas sin Molde.

En seco, normalmente se deja caer libremente el concreto desde la superficie del terreno.

Puede ocurrir una segregación perjudicial del cemento y el agregado, si el concreto cae contra los lados de la excavación; por lo tanto, si el diámetro es pequeño, usualmente se coloca un tubo vertical corto como guía en el centro de la perforación donde se introduce el concreto. 

Usualmente, solo se requiere vibración en los 2 6 3 m superiores de la perforación, en los que el impacto del concreto al caer es inefectivo. El refuerzo puede introducirse dándole la forma de una armadura cilíndrica por la cual puede caer el concreto libremente. El revenimiento del concreto depende de las dimensiones de la pila, de que haya ademe, de que sea necesario o no extraerlo y del refuerzo. En la mayor parte de los casos resulta adecuado un revemmiento de 15 cm, pero pueden usarse mayores en las pilas muy reforzadas y en las de diámetro pequeño, en las que haya que extraer el ademe.

La presencia de unos centímetros de agua en el fondo de la perforación de la campana, excepto que esté localizada en un pequeño sumidero, puede reducir apreciablemente la resistencia del concreto. Algunas veces se colocan sacos de cemento en el fondo para que absorban el exceso de agua antes de colar el concreto. 

Más de 5 cm de agua pueden causar la segregación del concreto. El agua sube arriba del concreto y el resto del mismo debe atravesarla. Es probable que ocurra una separación casi completa del cemento y los agregados, cuando la profundidad del agua sea de 15 cm o más. Por lo tanto, si es posible deberán taparse todas las fuentes del agua que pueda entrar.

Si no puede impedirse la entrada de agua, pero si el agua no sube más de 6 mm/minpuede excavarse cerca del centro un cárcamo de pequeña sección transversal, comparada con la base, y achicarse el agua por bombeo. Con el concreto listo, se saca la bomba tan rápidamente como sea posible y se introduce en la perforación una cantidad sustancial de concreto.

Si las filtraciones son demasiado grandes para que se pueda colar en seco, puede permitirse que el nivel del agua suba libremente hasta que llegue al equilibrio, siempre que el agua no transporte una cantidad perjudicial de material suelto a la perforación. Después de que se han tapado las filtraciones, el concreto debe colarse con trompa de elefante (Tremie), cuyo extremo debe quedar inicialmente a una distancia no mayor de 30 cm del fondo de la perforación. El embudo se va subiendo conforme se va colando el concreto, pero su extremo debe permanecer siempre 30 cm dentro del mismo.

Con este sistema, el concreto puede colarse también bajo el agua, en las pilas sin ademe llenas de lodo, pero en este caso deben emplearse técnicas refinadas y contratistas especialistas experimentados. El lodo debe recircularse despacio y limpiarse de fragmentos gruesos, hasta que toda la perforación esté llena con una suspensión tixótropa que impida la acumulación de material grueso en el fondo, antes de poder introducir el concreto con el embudo.

Formación de las Campanas - Pilas colocadas sin Molde.

No debe intentarse formar bocinas o campanas para la ampliación de la base de las pilas) a menos que el suelo sea lo suficientemente cohesivo para permitir que el techo no se desplome durante el tiempo entre la excavación, la limpieza del fondo y el colado del concreto dentro de la propia campana. Por la dificultad de satisfacer esta condición, en muchos lugares es preferible prolongar la pila recta hasta encajarla suficientemente en los materiales firmes para que pueda soportar la carga por fricción lateral.

Las campanas pueden excavarse a mano, como en el método de Chicago (fig. 13.1), pero generalmente se forman conectando un cucharón especial a la cabeza giratoria, en lugar de la barrena helicoidal. Este cucharón se ilustra en la fig. 13.lOe. Consta de un cilindro con dos cuchillas articuladas en el extremo superior, que se cierran dentro del cilindro cuando se hace descender el cucharón por la perforación. Cuando el cucharón llega al fondo de la perforación, se sacan las hojas por unas ranuras verticales del mismo; se hace girar el cucharón y el suelo que cortan las cuchillas cae dentro de él. Después de unas cuantas revoluciones, las cuchillas se retraen y el cucharón se eleva y se vacía. El procedimiento se repite tantas veces como sea necesario. En comparación con el tiempo requerido para la perforación, el de la formación de la campana es bastante largo. Como la tendencia en cualquier excavación sin apoyo es licuarse o caerse con el tiempo, las condiciones del suelo para formar un agujero con campana deben ser generalmente más favorables que cuando solamente se hace la perforación.

Si la campana se derrumba, la perforación deberá profundizarse a un nivel en el que se pueda formar otra, o a otra profundidad mayor, suficiente como para que puedan soportarse las cargas sin ampliación. Si las condiciones del suelo no permiten utilizar estas alternativas, deberá modificarse el proyecto de cimentación. 

En algunos casos, como alternativa, se hacen dos pilas que se unen con una contratrabe para soportar la carga de la columna. Ocasionalmente, es necesario recurrir a los pilotes.

Excavación - Pilas colocadas sin Molde.

El equipo de perforación se ha descrito brevemente. Si los agujeros se mantienen abiertos y permanecen secos hasta que se ha terminado de colar el concreto, construirse rápida mantenerlos abiertos. En algunos casos, el terreno puede convertirse, de material potencialmente inestable, en estable, desaguándolo o inyectándolo. Si, por ejemplo, la inestabilidad de las paredes se debe a zonas permeables sin cohesión, puede ser posible arenar todo el emplazamiento de la obra, haciendo descender el nivel del agua freática a uno inferior al del fondo de las perforaciones. Luego, éstas pueden excavarse en seco y el ademe puede no ser ya necesario. Si solamente hay unas cuantas de estas, zonas y sus posiciones están, bien definidas, algunas veces pueden estabilizar- se con inyecciones  antes de perforar, aunque la posibilidad de que las inyecciones resulten incompletas introduce gran incertidumbre en el procedimiento.

Con mucho, el método más usado para perforar cuerpos de pila que de otra manera serían inestables consiste en el uso de lodos semejantes al de perforación. El líquido espeso impide la entrada del agua y de los materiales adyacentes.

Según sean las circunstancias, el lodo puede usarse solo o en combinación con ademe. La fig. 13.10 ilustra condiciones que se encuentran frecuentemente y representa los pasos que se siguen en la per foración en un suelo cohesivo, adecuado para hacer perforaciones en seco, excepto en una zona de suelos sin cohesión sumergido, que se derrumbaría. La perforación se hace en seco hasta la zona de derrumbes (flg. 13.10a).

Antes de penetrar en esa zona, se llena con tierra, bentonita y agua, en tales proporciones, que se forme un líquido espeso, viscoso, que se mezcla haciendo girar la barrena, subiéndola y bajandola simultaneamente. Cuando el líquido adquiere la consistencia adecuada, se atraviesa la zona sin cohesión (fig. 13.10b) en la forma usual, por medio de la barrena, El lodo estabiliza las paredes del agujero, impidiendo la entrada de agua subterránea, e imparte suficiente cohesión al suelo que se perfora para permitir ex- traerlo con la barrena. Al ir profundizando el agujero, se añade lodo para mantener su superficie cerca del nivel del terreno. Cuando se ha pasado el manto que se derrumba, se inserta un ademe, (fig. 13.10c). El ademe es usualmente un solo tramo de tubo de diámetro interior ligeramente mayor que el diámetro de la barrena; se apoya en el suelo cohesivo inferior haciéndolo girar (fig.5.4) y empujándolo simultáneamente hacia abajo. Luego se saca el lodo del agujero y se sigue perforando en seco (fig. 13.10d).

Con el suelo en estas condiciones, toda la perforación podría relizarse con el lodo y sin ademe. Sin embargo, como el agujero se derrumbaría si se extrae el lodo y no se inserta el ademe, el concreto necesariamente se colaría en el agujero lleno de lodo, por los métodos de colado bajo el agua que se describirán en el siguiente subtítulo. Este procedimiento se ha usado frecuentemente en Europa. En Norte América, por otra parte, después que se ha hecho la perforación estando llena de lodo, es más usual insertar un ademe con un diámetro unos cuantos centímetros menor que la perforación, para apoyarlo en el fondo y extraer el lodo. El fondo puede estar entonces completamente seco. El delgado anillo de lodo que queda entre el ademe y las paredes de la perforación, impide o reduce el movimiento del material circunvecino hacia la misma. Si la perforación termina en roca sobrepuesta por material permeable o que contenga juntas permeables cerca de su superficie, algunas veces se hinca por rotación en la roca un ademe pesado con dientes de acero endurecido llevándolo algunos decímetros dentro de la formación, hasta que se forma un cierre hermético que impida el paso del agua. La parte inferior del ademe se deja en el lugar. Si no se impiden las filtraciones, el fondo puede sellarse algunas veces con inyecciones a presión.

Figura 13.10 Etapas en la construcción de una pila a) Excavación en seco en suelo cohesivo que no se derrumba b) Perforación a través de suelo sin cohesión con la ayuda de lodos c) Colocación del ademe d) Perforación en seco en suelos cohesivos, tras sellar el ademe e) Excavación de  la campana

Pilas Coladas sin Molde.

Importancia de las condiciones del subsuelo. La decisión de usar pilas coladas sin moldes, en mucho mayor medida que la de usar zapatas o losas, requiere un cuidadoso estudio de las condiciones para la construcción existentes en el lugar. El comportamiento de estas pilas está determinado, cuando menos, tanto por el éxito con que se efectúen las operaciones de construcción, como por las características carga- asentamiento de los terrenos adyacentes y subyacentes. Detalles, como la presencia de cantos o boleo que interfiera con la perforación, la presencia o falta de la ligera cohesión necesaria para evitar el derrumbe de las paredes de la perforación o de la campana, o la concentración de filtraciones pequeñas en zonas permeables ocasionales pueden tener un efecto decisivo en las posibilidades de formar una pila satisfactoria y económica.

El agua freática influye muy especialmente en la determinación de la dificultad y, por lo tanto, en el costo de construcción de la pila. Las filtraciones, aun en pe queñas cantidades, pueden requerir lodos de sostenimiento o ademes, para permitir el avance de la perforación sin derrumbes; puede dificultar la preparación del fondo; puede producir dificultades en el colado y daños en el concreto fresco, si se quita el ademe.

El tipo de suelo es mucho menos importante. En arcillas duras, en las arenas cementadas sobre el nivel freático) y en roca blanda, las perforaciones pueden ejecutarse rápidamente y esperarse que sus paredes se sostengan sin apoyo, hasta que se cuele el concreto. Las campanas pueden labrarse fácilmente. Sin embargo, en cualesquiera otras condiciones, deben tomarse medidas para estabilizar las paredes. Estas condiciones incluyen, en orden creciente de dificultad de construcción, suelos relativamente impermeables que contengan capas o lentes de material sin cohesión, con agua, que tienda a fluir a la perforación; arcillas y limos que puedan fluir hacia la misma, y la mayor parte de los materiales granulares húmedos con suficiente cohesión aparente para proporcionar apoyo a las paredes de la perforación, pero con acumulaciones de materiales gruesos menos cohesivos; suelos sin cohesión, perfectamente secos situados arriba del nivel freático y suelos sin cohesión abajo del nivel del agua freática. En todos los tipos de suelos, las condiciones para la estabilidad de las campanas son menos favorables que para los muros de la perforación.

El programa de exploración del subsuelo puede requerir varias etapas antes de completar el proyecto final de una cimentación con pilas. Los sondeos iniciales deben permitir hacer un estudio detallado de la estratigrafía, dando atención especial a la presencia de mantos sin cohesión o lentes de cantos, boleo, o zonas cementadas, y a la posición del nivel freático. La entrada del agua freática a cualquier nivel en un sondeo que se estuviese desarrollando en seco, o el derrumbe de las paredes del agujero, merecen especial atención. Los sondeos preliminares deben proporcionar suficiente información para poder decidir si resulta adecuada la construcción de las pilas, y para determinar su profundidad y dimensiones probables. Si se adoptan tentativamente las pilas para usarse en la obra, deberán hacerse más sondeos para definir los problemas de construcción que puedan encontrarse. Las condiciones del agua freática cerca de la base de las pilas, o en la vecindad de las campanas propuestas, deben explorarse cuidadosamente, utilizando técnicas como la de llenar con agua los agujeros cuando llegan a profundidades criticas, y observar la rapidez con que baja su nivel. Cuando menos algunos de los sondeos deben convertirse en pozos de observación. Finalmente, en trabajos grandes o potencialmente difíciles, puede convenir excavar una o más perforaciones definitivas de pila, con el equipo que se vaya a utilizar en el trabajo. La movilidad de los equipos de perforación modernos permiten utilizar la cimentación puede y económicamente. De este procedimiento fácil y económicamente. Las perforaciones de prueba facilitan la preparación de especificaciones realistas y el dar a los postores una idea clara del trabajo que se va a ejecutar. Si aún en esta tardía etapa del proyecto, los resultados demuestran que las condiciones son desfavorables, puede cambiarse el tipo de cimentación antes de hacer los documentos finales del contrato.

-Excavación .

-Formación de las Campanas.

-Colado.

-Extracción del Ademe.

-Inspección.

-Pérdida de Terreno.

-Condiciones para Tener Éxito.

Cajones - Construcción de Pilas.

Si la superficie del terreno queda arriba del agua, la construcción de un cajón puede empezarse directamente arriba del área donde va a quedar situada su base. Si el nivel del terreno queda debajo del agua, la parte inferior del cajón puede construirse en cualquier otra parte, llevarse flotando a su lugar, y hundirse (fig. 13.7a). Como alternativa, puede hincarse un anillo de tablestacas para formar un recinto en el que se construye una isla de arena. El cajón se comienza a hincar en la arena, como si la superficie del terreno estuviera arriba del nivel del agua freática (fig. 13.7b).

Los cajones abiertos, usualmente se hincan por dragado. Por lo tanto, deben estar provistos de varios pozos que se prolonguen de extremo a extremo, por los cuales pueda hacerse el dragado. Los pozos deben ser lo suficientemente grandes como para permitir el fácil paso de los cucharones para excavar, pero al mismo tiempo, lo suficientemente chicos para que sus paredes tengan el peso necesario para hundirlos. En los cajones pequeños se deja un único pozo central. En los cajones grandes se usan varios. Una de las pilas para el puente sobre el Río Tajo, en Portugal, alcanza la profundidad récord de 80 m abajo del nivel del agua. Se construyó por medio de un cajón abierto para dragado que contenía 28 pozos. El peso de los cajones debe ser siempre suficiente para contrarrestar la fricción lateral contra la estructura. En algunos casos, deben añadirse cargas y usarse chiflones para obligar a bajar el cajón. Cuando éste ha llegado a su posición final, se sella el extremo inferior con concreto colado bajo el agua, con el procedimiento de trompa de elefante.

Los cajones neumáticos (fig. 13.8) se usan para profundidades entre 12 y 34 m.

El aire comprimido impide que entren en la cámara de trabajo el lodo y el agua. La camara de trabajo tiene usualmente una altura de 2 m, y en el techo aberturas para el paso de hombres y materiales. Las aberturas están protegidas por esclusas de aire. El uso de cajones neumáticos permite quitar los troncos enterrados, boleo grande, etc., que pueda encontrar la cuchilla. El desplante de la cimentación puede prepararse cuidadosamente y el concreto puede colarse en seco. Por otra parte, el costo de construcción es relativamente grande, en comparación con el dragado. Además, la profundidad está limitada por la presión del aire con la que los obreros puedan trabajar. Al aumentar la presión del aire, el tiempo de la jornada de trabajo debe reducirse. Se experimentan pocas molestias fisiológicas a presiones superiores a la atmosférica hasta de 2 kg/cm2 y a esa presión pueden sostenerse las jornadas normales, A presiones tan altas como 3 kg/cm2, la duración de las jornadas de trabajo tiene que reducirse a 1 ó 2 horas y se necesitan periodos largos para decompresión

La fig. 13.9 muestra una pila típica para un puente de ferrocarril. La cimentación es un cajón de 29 m de altura. El cajón se hincó por dragado al aire libre hasta la elevación de la lutita laminar dura, donde se convirtió al tipo neumático. Se hincó en la lutita para obtener un buen asiento en el fondo. Este procedimiento combinó la economía del dragado a cielo abierto con la seguridad y exactitud del proceso neumático. 

Figura 13.7  Sección transversal de cajones abiertos típicos a) Del tipo flotante b) constricción en islas de arena.

Figura 13.8  Sección de un cajón neumático típico.

Figura 13.9 Pila para puente de ferrocarril entre Milwaukee y Rock Island en la ciudad de Kansas

Ataguías - Construcción Pilas.

Cuando se van a construir en agua las pilas, y la profundidad de ésta no excede de 2 6 3.0 m, pueden construirse ataguías hechas de tablestacas de madera. Las tablestacas pueden tener una de las diversas formas mostradas en la fig. 13.3. Se hincan alrededor del área en que se va a extraer el agua y se apuntalan cerca del nivel del agua por medio de largueros y puntales. Las partes inferiores de las tablestacas se apoyan en el suelo en el que se hincan. 

 

Figura 13.3  Tipos de tablestacas de madera usadas en ataguías en aguas somera a) Wakefield b) Machihembrada c) De caja y espiga.

Figura 13.4  Ataguía de tablestacas de acero de muro simple. Apuntalada.

Para mayores profundidades, las tablestacas de madera resultan inadecuadas, y el recinto se forma usualmente con tablestacas de acero. Uno de los tipos más sencillos de ataguías consiste en un espacio rodeado de tablestacado con apuntalamiento interior (fig. 13.4). Las tablestacas se hincan hasta que sus extremos inferiores se encajan y se sellan, en el suelo inferior. Ordinariamente, se prolongan cuando menos a toda la profundidad que va a tener la pila. Antes de achicar el agua de la ataguia, se instala un conjunto de puntales, precisamente arriba del nivel del agua. Luego se hace descender dicho nivel hasta que llegue al correspondiente a otro conjunto de puntales. Se continúan los descensos sucesivos del nivel del agua y la instalación de apuntalamientos hasta que se agote el agua, después, el resto de la excavación se hace completamente en seco. Con frecuencia se prefabrican varios juegos de apuntalamientos, que se colocan simultáneamente en la ataguía y que se ponen en posición con la ayuda de buzos, antes de achicar la ataguía. Una de las principales dificultades de las ataguías de pared sencilla es la filtración a través de los empalmes de las tablestacas, especialmente al principio del desagüe. Frecuentemente, se acumulan cenizas, u otros materiales por el lado exterior de la ataguía para tapar las fugas. Al descender el nivel del agua, las tablestacas se inclinan hacia adentro y sus empalmes se hacen más impermeables. Si la profundidad de la ataguía llega a ser muy grande, puede resultar impracticable abatir el nivel del agua lo suficiente sin, riesgo de provocar falla de fondo. Mediante dragado pueden hacerse excavaciones mucho más profundas bajo el agua. En ese caso se cuela en el fondo un tapón de concreto lo suficientemente pesado para resistir la subpresión antes de desaguar la ataguía.

Para excavaciones grandes bajo tirantes de agua de no más de 6 m, frecuentemente se hinca una sola pared de tablestacas y se apuntala con bermas de tierra (fig. 13.5a). Las corrientes del agua atacan fácilmente a las ataguías de este tipo y usualmente deben protegerse en sus frentes exteriores con enrocamiento. La ataguía de doble pared de tablestacas (fig. 13.5b) resulta adecuada para tirantes de agua mayores. Consiste en dos hileras de tablestacas conectadas por tirantes. El espacio entre las tablestacas se llena con roca o suelo.

Figura 13.5 a) Ataguía de muro simple protegida con terraplenes b) Ataguía de muro doble.

Cuando la profundidad del agua es muy grande, se usan ataguías de tablestacas celulares. Las dos formas principales se muestran en la fig. 13.6. Cada celda se llena de roca o de grava. El tipo circular tiene la ventaja de que cada celda es independientemente estable. Por lo tanto, durante la construcción, la ataguía es casi invulnerable a las avenidas repentinas o a las tormentas. En las pilas de los puentes pequeños, las celdas se hacen lo suficientemente grandes para que abarquen toda la cimentación. Como estas celdas no pueden llenarse, las tablestacas deben apoyarse en anillos circulares.

Figura 13.6 ataquías celulares a) Del tipo de diafragma b) de tipo circular.

Pilas Construidas en Perforaciones Ademadas y en Perforaciones Cilíndricas.

En otro tiempo se usaron perforaciones excavadas a mano con ademe de madera y todavía pueden usarse con ventaja, especialmente en las cimentaciones. El método mejor conocido se originó en Chicago en 1892 (General Wm. SooySmith, Stock Exchange). Es particularmente adecuado para arcillas sin inclusiones de agua. En el método de Chicago, se hace una perforación circular de cuando menos 1 m de diámetro, a mano, con una profundidad que varía de 0.5 a 2 m, lo que depende de la consistencia de la arcilla. Se ademán luego las paredes del agujero con tablas verticales, conocidas como forro. El forro se mantiene en su sitio por medio de dos anillos circulares de acero (fig. 13.1). Luego se continúa la excavación, hasta que se instalan otras tablas de forro y amilos. Cuando el agujero llega al estrato en el que se van a apoyar las cimentaciones, puede ampliarse el fondo o acampanarse para aumentar el área de apoyo. Los anillos y las tablas del forro se dejan en su lugar cuando el agujero se llena de concreto.

Figura 13.1. Método Chicago para hacer excavaciones para pilas.

En Kansas City desde 1890, se construyeron pilas de cimentación con profundidades mayores de 15 m y de 1.40 de diámetro que atravesaron material de relleno y arcilla hasta una caliza; se construyeron en perforaciones hechas con herramientas mecánicas y ademadas (L. Curtis, City Hall). En el siguiente medio siglo, se hicieron intentos semejantes, pero en la actualidad, la mayor parte de las pilas que pasan a través o penetran en suelos cohesivos, se excavan por medio de máquinas montadas en camiones o en orugas (fig. 13.2), equipadas con barrenas rotatorias o cangilones provistos de cuchillas. Por medio de este procedimiento se han hecho agujeros de 0.30 a 3.50 m, a profundidades que sobrepasan los 30 m. Existen varios aditamentos para ampliar los fondos de las excavaciones en suelos duros, o para perforar en la roca. Cuando las perforaciones se llenan directamente de concreto, se llaman pilas coladas en el lugar sin moldes.

Figura 13.2. Perforadoras montadas en orugas sacudiendo el suelo de la barrena después de haber excavado un agujero de 1 .2 m de diámetro.

Si las condiciones del subsuelo son tan desfavorables que no permitan la instalación de cimientos por cualquiera de los métodos descritos en los párrafos anteriores, pueden instalarse tubos de acero de gran diámetro por un procedimiento en que se combinen los métodos de hincado de pilotes y los de excavación abierta. Los tubos se hincan con los extremos abiertos, unos cuantos metros cada vez y se limpian por medio de chorros de aire, de agua, o herramientas de cable semejantes a las que se usan en la perforación por percusión. Estas perforaciones casi siempre se llevan hasta la roca. 

Comúnmente se continúan algo en ella por percusión o por rotación, antes de limpiar finalmente el agujero y de llenarlo con concreto. Las pilas formadas por este método son caras, pero usualmente pueden soportar cargas muy elevadas y ser instaladas en casi todas las condiciones del subsuelo. El desarrollo de las pilas de tubo de gran diámetro, ha reducido mucho los casos en que podrian haberse empleado los métodos con aire comprimido.

Métodos de Construcción de Pilas.

Generalidades. Los métodos para construir pilas se dividen en dos grupos principales. En uno, se excava un agujero hasta el nivel de desplante de la cimentación y se construye la pila dentro del mismo. Usualmente, los lados de la excavación deben ademarse y apuntalarse para evitar el derrumbamiento. Estas perforaciones se dicen ademadas o entibadas, lo que depende de que el ademe se forme con forros metálicos cilíndricos o sea de tableros o de tablestacas. Algunas veces, se estabiliza la perforación por medio de un líquido espeso en vez de ademe. Si la superficie del terreno está debajo del agua, la estructura que encierra el terreno que va a ocupar la pila se llama ataguía. Bajo la protección de la ataguía se hace la excavación hasta el nivel deseado y se construye la pila.

El otro método para construir pilas es utilizando cajones. Los cajones son cajas o cilindros que se hincan hasta su posición y constituyen la parte exterior de la pila de cimentación terminada. Para facilitar el hincado, el borde inferior del cajón está provisto de una cuchilla. El material que está dentro del cajón se extrae por dragado a través de la abertura en su extremo superior, o excavando a mano. El extremo inferior del cajón puede construirse formando una cámara hermética y llenarse con aire comprimido para expulsar el agua de un espacio en el que los obreros puedan trabajar. Este procedimiento se conoce con el nombre de método del aire comprimido y permite quitar los obstáculos que quedan debajo de la cuchilla y facilita la limpieza del fondo de la excavación. Sin embargo, es un riesgo para la salud de los trabajadores y debe evitarse cuando sea posible.

-Pilas Construidas en Perforaciones Ademadas y en Perforaciones Cilíndricas.

-Ataguías.

-Cajones.

Pilas de Cimentación.

Definiciones.- En la ingeniería de cimentaciones el término pila tiene dos significados diferentes. De acuerdo con uno de sus usos, una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple una zapata, es decir, transmitir la carga a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni de que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad de La cimentación al ancho de la base de las pilas es usualmente mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es comúnmente menor que la unidad.

De acuerdo con su segundo uso, una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente1 Usualmente, la pila sobresale de la superficie del terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición, puede considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada en una cimentación adecuada. Para evitar confusión, se usará el término de cuerpo de la pila para la parte que queda arriba de la cimentación. La base de ese cuerpo puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar apoyada en pilotes, o sobre varias pilas de cimentación, como se definió en el párrafo anterior. Un cuerpo de pila, situado en el extremo de un puente y sujeto al empuje de la tierra, se denomina un estribo.

No existe una clara diferencia entre las pilas de cimentación y los pilotes. Los tubos de acero de gran diámetro que se hincan con el extremo inferior abierto, que se limpian después y se llenan de concreto, pueden en realidad considerarse como pilas o como pilotes. Los mismos tubos pueden considerarse como ademes o como cajones o cilindros de cimentación. La terminología a este respecto difiere mucho en las diferentes localidades.