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17 a 21 de Mayo de 2004 Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Cuyo. Mendoza. Argentina.
Jornadas Sud-Americanas de Ingeniería Estructural
COMPORTAMIENTO DE PILOTES A LA TRACCION. COMPARACIÓN DE DIFERENTES PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MSc. Ing. Leonardo Abreu, Profesor Adjunto Dr. Ing. Alvaro Gutiérrez; Profesor Titular Ing. Ma Noel Pereyra, Ayudante Ing. Sebastián Viurrarena, Ayudante Instituto de Estructuras y Transporte “Porf. Julio Ricaldoni”, Facultad de Ingeniería Universidad de la República, Uruguay RESUMEN Desde 1995 el Laboratorio de Control de Calidad de Fundaciones, del Instituto de Estructuras y Transporte, desarrolla un programa de investigación con los objetivos de estudiar el comportamiento de los distintos tipos de pilotes utilizados en el Uruguay, y generar un marco de trabajo con el medio profesional donde proyectar futuras investigaciones y proponer una normativa nacional. Es así que se han realizado hasta el momento diferentes proyectos de investigación, con el apoyo de empresas públicas y privadas, que incluyen más de 60 ensayos estáticos de carga, la mayoría de ellos hasta la rotura. En este trabajo se presenta una campaña de ensayos realizada durante el año 2002, con el objetivo de estudiar el comportamiento de pilotes sometidos a cargas de tracción. Los pilotes estudiados fueron construidos utilizando tres procedimientos diferentes: hinca de tubo (tipo “Franki”), perforado entubado, y el denominado “de mecha hueca”. En un campo experimental, se construyeron 3 grupos de 6 pilotes cada uno, utilizándose en cada grupo un procedimiento constructivo diferente. Los pilotes tienen diámetros de 0.35m y 0.40m, y longitudes que varían entre 3.0 y 6.0 metros. Se realizaron estudios de suelos que incluyen ensayos SPT. En cada grupo se realizaron ensayos estáticos de carga a tracción, tanto rápidos como lentos. Se describen los procedimientos constructivos, los dispositivos y metodologías de ensayo, así como el perfil de suelo encontrado en el campo experimental. A partir de la interpretación de las curvas carga-desplazamiento se estiman las cargas de rotura, las que son comparadas con los resultados obtenidos con diferentes previsiones de carga con base en el SPT. Finalmente se presentan los resultados de los ensayos de carga comparados en función del tipo de ensayo realizado, la longitud y el procedimiento constructivo.
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1. INTRODUCCIÓN El estado del conocimiento actual aplicado a la Ingeniería de Fundaciones se basa en trabajos teóricos que fundamentan los problemas de interacción suelo-estructura, en resultados de ensayos de carga y en soluciones numéricas. Buena parte de la bibliografía está dedicada a pilotes prefabricados hincados o pilotes perforados de gran diámetro, práctica común en los países desarrollados, mientras que las referencias a trabajos sobre pilotes hechos “in situ” de pequeño diámetro son escasas. Actualmente en la práctica de ingeniería de fundaciones de Uruguay casi la totalidad de los pilotes construidos son hechos “in situ”, del tipo “hinca de tubo” (tipo Franki) o perforados. La utilización casi excluyente de este tipo de pilotes en la práctica uruguaya y la escasa información existente en la bibliografía, especialmente cuando son sometidos a cargas de tracción, motivó el desarrollo de un programa de investigaciones para el estudio de su comportamiento, tanto a tracción como a compresión. Este programa de investigación es el primer trabajo sistemático de evaluación del comportamiento de fundaciones dentro de la práctica de las empresas de ingeniería de fundaciones en Uruguay, y contó con el financiamiento tanto de empresas públicas como privadas, de la Universidad de la República y de organismos internacionales. Entre 1995 y 2000, el Instituto de Estructuras y Transporte de la Facultad de Ingeniería de Montevideo (IET), desarrolló dos proyectos de investigación con el objetivo de estudiar el comportamiento de pilotes excavados de pequeño diámetro en los suelos arcillosos de la formación geológica denominada Libertad, muy común en la región sur de Uruguay, la más urbanizada del país. En la etapa experimental de los mencionados proyectos fueron ejecutados un total de 46 ensayos de carga, 34 de ellos a tracción y 12 a compresión, en pilotes construidos por tres empresas actuantes en el mercado en un campo experimental localizado en un terreno propiedad de la empresa estatal de energía eléctrica (UTE). Una descripción detallada de estos trabajos y los resultados obtenidos puede ser encontrada en Abreu (2002) [1]. Como continuación de dichos trabajos surgió la inquietud de estudiar el comportamiento a la tracción en otro tipo de suelos, de los distintos tipos de pilotes utilizados en el mercado. Con este objetivo fueron construidos tres grupos de pilotes, utilizando tres procedimientos constructivos diferentes, en el predio de la Estación Montevideo K de UTE. Se realizaron en dicho predio estudios de suelos que incluyen ensayos SPT. En cada grupo se realizaron ensayos estáticos de carga a tracción, tanto rápidos como lentos. El presente trabajo describe resumidamente los procedimientos constructivos utilizados, los dispositivos y metodologías de ensayo, así como el perfil de suelo encontrado en el campo experimental. A partir de la interpretación de las curvas carga-desplazamiento se estiman las cargas de rotura, las que son comparadas con los resultados obtenidos con diferentes previsiones de carga con base en el SPT. Finalmente se presentan los resultados de los ensayos de carga comparados en función del tipo de ensayo realizado, la longitud y el procedimiento constructivo.
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2. CAMPO EXPERIMENTAL Los ensayos de carga de este trabajo fueron desarrollados en un campo experimental localizado en la zona este del Departamento de Montevideo. El terreno está situado en la Estación Montevideo K de distribución de energía eléctrica, propiedad de la empresa UTE, y posee un área adecuada para los trabajos de aproximadamente 500m2 dentro de su muro perimetral. Los pilotes fueron construidos en una zona de 15x15m, ubicada en un extremo del predio de la Estación de modo de no entorpecer el normal funcionamiento de la misma. El perfil del subsuelo de la zona de construcción de los pilotes presenta una capa superior de arena, clasificada como SM según el Sistema Unificado, que se extiende hasta los 3.5m de profundidad aproximadamente. Debajo de la arena se encuentra de una capa de arcilla marrón verdosa que se extiende hasta los 5.0m de profundidad, cambiando luego el color a marrón claro, hasta los 8 metros de profundidad. Ambas arcillas fueron clasificadas como CL, en el Sistema Unificado. La napa freática se encontró en el sondeo realizado a una profundidad de 2.0m aproximadamente. Desde el punto de vista resistente, el perfil muestra valores de N(SPT) del orden de 8 golpes, en promedio, tanto en la capa de arena como en la de arcilla verdosa. A mayor profundidad, en la arcilla marrón claro, los valores de N(SPT) aumentan con la profundidad llegando a valores de 20 golpes a una profundidad de 8.0m. La Figura 1 muestra la variación de N(SPT) con la profundidad y la descripción del perfil encontrado en el sonteo realizado en la zona de construcción de los pilotes.
Figura 1. Planilla de perforación del sondeo realizado en la Estación Montevideo K -3-
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3. ENSAYOS DE CARGA En este trabajo se analizan un total de 20 ensayos de carga, cuyas características son resumidas en la Tabla 1. La nomenclatura adoptada es de la forma E.N.A.xx.yyy., donde: E indica el tipo de ensayo: tracción rápido (E=R), tracción lento (E=L) N indica el número de ensayo; A indica el tipo de pilote: hinca de tubo (A=HT), perforado (A=P), de mecha hueca (A=MH); xx indica el diámetro nominal del pilote, en cm; sss indica la longitud nominal del pilote, en cm; Así, por ejemplo, el ensayo R1.HT.35.300 corresponde al ensayo número 1, ejecutado en un pilote del tipo hinca de tubo, con un diámetro nominal de 35cm y una longitud nominal de 3.5m, sometido a un ensayo de carga rápido. Una vez construidos los pilotes, y antes de la realización de los ensayos de carga, fueron controlados mediante el ensayo sónico de integridad (SIT), a partir del cual se estimó su longitud utilizando una velocidad de propagación de la onda en el hormigón de 3800 m/s. Las longitudes estimadas a partir del ensayo de integridad son presentadas en la Tabla 1. Tabla 1. Características de los ensayos de carga ensayo
R.1.HT.35.300 R.2.HT.35.300 R.3.HT.35.450 R.4.HT.35.450 R.5.HT.35.600 R.6.HT.35.600 L.7.HT.35.450 L.8.HT.35.450 R.9.P.40.300 R.10.P.40.300 R.11.P.40.450 R.12.P.40.450 R.13.P.40.600 R.14.P.40.600 R.15.MH.35.450 R.16.MH.35.450 R.17.MH.35.600 R.18.MH.35.600 L.19.MH.35.600 L.20.MH.35.600
tipo de carga
procedimiento constructivo
diámetro nominal (m)
longitud nominal (m)
longitud SIT (m)
tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, lento tracción, lento tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, rápido tracción, lento tracción, lento
hinca de tubo hinca de tubo hinca de tubo hinca de tubo hinca de tubo hinca de tubo hinca de tubo hinca de tubo perforado perforado perforado perforado perforado perforado mecha hueca mecha hueca mecha hueca mecha hueca mecha hueca mecha hueca
0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35
3.0 3.0 4.5 4.5 6.0 6.0 4.5 4.5 3.0 3.0 4.5 4.5 6.0 6.0 4.5 4.5 6.0 6.0 6.0 6.0
3.2 3.1 3.9 3.8 5.8 5.8 3.9 3.8 4.4 4.0 4.7 4.4 5.4 6.1 4.8 4.7 5.9 6.5 5.9 6.5
Los pilotes construidos con mecha hueca de 3.0m de longitud nominal no figuran en la Tabla 1 dado que no pudieron ser ensayados, debido que en la construcción de uno de ellos se tuvo problemas con la colocación de la armadura.
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3.1 Características de los pilotes ensayados En este ítem se describen en forma sucinta la disposición y la geometría de los pilotes, así como también los procedimientos constructivos y las características de los materiales utilizados en su construcción. 3.1.1 Disposición y geometría Los pilotes de ensayo presentan una disposición circular, en forma de “calesita”, en cuyo centro se ubica un pilote de compresión, que ofrece la reacción necesaria para los ensayos. De esta manera se optimiza el uso de pilotes de reacción ya que posibilita el ensayo de 6 pilotes a la tracción con un mismo pilote central de reacción. El campo experimental de la Estación Montevideo K fueron construidas tres calesitas, una para cada tipo de pilotes estudiados. En cada calesita los pilotes, construidos siguiendo el mismo procedimiento constructivo, se disponen de a pares diametralmente opuestos, según su longitud. Las longitudes de proyecto (longitudes nominales) escogidas fueron 3.0, 4.5 y 6.0m. La Tabla 2 presenta los diámetros nominales de los diferentes tipos de pilotes ensayados, según el procedimiento constructivo utilizado. Tabla 2. Diámetros nominales de los pilotes ensayados Tipo de Pilote Hinca de Tubo (HT) Perforado Entubado (P) Perforado con Mecha Hueca (MH)
Diámetro (cm) 35 40 35
Tal como ya fue expresado, los pilotes se ubican en una circunferencia de 1.80 m de radio, longitud necesaria para la utilización de las vigas de reacción existentes en el IET. La Figura 2 muestra un croquis de la disposición de las tres calesitas en planta. En el caso de la calesita de pilotes construidos con el procedimiento de mecha hueca los pilotes que aparecen sin numeración corresponden a los pilotes de 3.0m de longitud, los cuales no pudieron ser ensayados debido a problemas en la colocación de la armadura de uno de ellos, durante su construcción. En las tres calesitas los pilotes centrales, de reacción, son del tipo hinca de tubo con un diámetro de 0.45m de diámetro y 9 metros de longitud. Con el objetivo de evaluar el comportamiento de los pilotes usualmente utilizados en el mercado uruguayo, los ingenieros del equipo investigador de la Facultad de Ingeniería no tuvieron ninguna participación en la construcción de los pilotes. Todas las informaciones relacionadas a las características de los materiales y procedimientos utilizados fueron proporcionados por la empresa pilotera.
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R12
R10
P
R13 R6
HT R3
R14
R4 R11
R2
E S T R U C T U R A L
R9
R1 R16
R5
MH
R17
R18
R15
Figura 2. Croquis de disposición de los pilotes 3.1.2 Procedimientos constructivos A continuación se describen en forma sucinta los diferentes procedimientos utilizados en la construcción de los pilotes estudiados en este trabajo. Pilotes de Hinca de Tubo (HT) El hormigón utilizado es hormigón seco, de resistencia característica a los 28 días de 35 MPa y asentamiento 1 ± 1cm. El procedimiento utilizado, descripto sucintamente, consiste en las siguientes etapas: (i) luego de balizar la posición del eje del pilote y posicionar el equipo se introduce dentro del tubo piedra partida u hormigón seco hasta llenar 80cm del fondo, para formar el tapón, (ii) mediante caída libre del pilón se compacta dicho material confeccionándose un tapón, una vez construido el tapon, al aumentar la altura de caída se comienza a hincar el tubo desplazando el suelo, (iii) se continúa la operación de hincado hasta la cota de proyecto, (iv) se disgrega el tapón golpeándolo con el pilón manteniendo el tubo sujeto a la torre, (v) se coloca la armadura dentro del tubo, (vi) se coloca el hormigón seco dentro del tubo y simultáneamente se va levantando el tubo y compactando el material. Pilotes Perforados Entubados (P) El hormigón utilizado en estos pilotes es hormigón de premezclado, de resistencia característica a los 28 días de 25 MPa y asentamiento 8 ± 2cm. El procedimiento utilizado puede ser resumido en las siguientes etapas: (i) luego de balizar la posición del eje del pilote y posicionar el equipo, se avanza en la perforación hasta la cota de proyecto colocando tubos y perforando por dentro de estos, (ii) se coloca la mordaza de sujeción de tubos, (iii) se coloca la armadura en la perforación, (iv) se procede al colado del hormigón volcándolo directamente en la perforación, desde el mixer, (v) se retiran los tubos de encamisado de la perforación. Pilotes Perforados con Mecha Hueca (MH) El hormigón utilizado para la construcción de estos pilotes fue elaborado “in situ”, y presenta una de resistencia característica a los 28 días de 25 MPa y asentamiento 20 ± 2cm, con utilización de superfluidificante. El procedimiento utilizado, descripto suscintamente, consiste en las siguientes etapas: (i) luego de balizar la posición del eje del pilote y posicionar el equipo se comienza la peforación con la mecha hueca, mediante el empuje y la rotación del equipo de perforación, (ii) se -6-
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van agregando los siguientes elementos de mecha hueca y se sigue perforando hasta la cota de proyecto, (iii) una vez alcanzada la cota de proyecto se levanta unos 20cm la columna de elementos de perforación para que se abra la compuerta de punta (ver Figura 3), (iv) se comienza el llenado del pilote, volcando el hormigón directamente en el tubo central de los elementos de perforación; simultáneamente se va levantando la columna de perforación y se van retirando los distintos tramos, (v) una vez completado el hormigonado y retirados todos los elementos de perforación se coloca la armadura por vibración. Las Figuras 3, 4 y 5 ilustran el equipo utilizado en la construcción de los pilotes perforados con mecha hueca. En la Figura 3 se muestra uno de los elementos de mecha hueca al momento de ser añadido a la columna de perforación, la Figura 4 muestra un detalle del primer elemento de perforación, donde se observa la compuerta de punta, mientras que la Figura 5 muestra la perforación terminada pronta para el hormigonado, donde se observa el tubo central de la mecha hueca, por donde se vuelca el hormigón.
Figura 3. Elemento de perforación de mecha hueca (procedimiento MH)
Figura 4. Detalle de la compuerta de punta (procedimiento MH)
Figura 5. Vista de la perforación terminada, pronta para el hormigonado (procedimiento MH) -7-
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En todos los casos el acero utilizado en las armaduras longitudinales de los pilotes es un acero Bst 420/500, mientras que el estribado de los pilotes fue realizado con acero Bst 220/340. 3.2 Dispositivo de aplicación de cargas El dispositivo de ensayo utilizado se compone de tres pilotes alineados, sobre los cuales se coloca una viga de reacción, que transmite las cargas desde el pilote central, de reacción, hacia los pilotes de ensayo situados en los extremos. La viga de reacción apoya mediante un cilindro hidráulico en el pilote central, el cual aporta la reacción trabajando a compresión, y está unida a los pilotes extremos mediante cuadros y bielas de acero, transmitiendo a éstos el esfuerzo de tracción. El montaje utilizado permite ensayar simultáneamente dos pilotes a la tracción utilizando un único pilote intermedio de reacción. La Figura 6, muestra el montaje de uno de los ensayos realizados, en el que se aprecia el dispositivo de aplicación de cargas. Como se observa en la Figura 6, la carga se aplica a través de un cilindro hidráulico accionado con una bomba manual, con capacidad de 960 kN, que reacciona contra el pilote central, de compresión, y levanta una viga de acero anclada en los pilotes de tracción mediante un sistema que consta de un disco, una biela y un marco de acero. El disco tiene una perforación central donde se conecta, ajustando con una tuerca, la biela y perforaciones periféricas donde se ajustan con tuercas las barras roscadas de la armadura longitudinal del pilote según se muestra en la Figura 7.
Figura 6. Vista del montaje de un ensayo Figura 7. Detalle de la unión entre la viga de ensayo y el pilote
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3.3 Registros de cargas y desplazamientos La carga de compresión es controlada mediante un manómetro digital de 10 psi (69kPa) de apreciación y 10000 psi (69MPa) de capacidad máxima. Por la simetría del dispositivo las cargas de tracción actuantes en cada pilote de ensayo se asumen como la mitad de la carga de compresión estimada a partir del registro del manómetro. El desplazamiento de cada pilote es registrado mediante flexímetros con sistema de aguja y esfera graduada, con una apreciación igual a 0.01 mm y recorrdo máximo de 50 mm. En la colocación de los flexímetros se asegura un recorrido libre de 30 a 40 mm garantizándose de esta forma una longitud o recorrido libre suficiente para registrar un rango de valores que permita observar en forma clara la rotura del pilote. En cada pilote de ensayo se colocan dos flexímetros diametralmente opuestos, solidariamente unidos, mediante bases magnéticas, a vigas de referencia de 4 m de longitud. Las vigas de referencia se anclan en el terreno fuera del área de influencia de los movimientos de los pilotes, asegurándose un nivel de referencia fijo durante todo el ensayo. El vástago de cada flexímetro se apoya en un angular de aluminio, pegado al fuste del pilote. El contacto angular-vástago se realiza a través de una superficie de acrílico pulido. La Figura 8 muestra un detalle de la cabeza de uno de los pilotes ensayados con en dispositivo de registro de desplazamientos instalado.
Figura 8. Detalle del dispositivo de registro de desplazamientos. 3.4 Metodología de Ensayo El origen de la investigación que inició la campaña de ensayos analizados en este trabajo fue el estudio del comportamiento de pilotes de pequeño diámetro para ser utilizados en las fundaciones de líneas de transmisión de energía eléctrica. Debido a las solicitaciones máximas soportadas por las fundaciones de esas torres son de carácter ocasional y de corta duración, se optó por la realización de ensayos de carga rápidos a la tracción. Se realizaron además ensayos de carga lentos, para fines de comparación, en concordancia con las Normas consultadas. En Uruguay no existe una normalización nacional en relación a la realización de ensayos de carga de pilotes. Se cuenta apenas como referencia con el “Procedimiento para el Ensayo de Pilotes, IE 2-54” del Instituto de Estructuras y Transporte de la Facultad de Ingeniería [2], que establece el -9-
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procedimiento para la realización del ensayo de carga lento de compresión. Siendo así, para la determinación del procedimiento de aplicación de cargas, parámetros a ser medidos, procedimientos de lectura y definición de rotura fueron consultadas las siguientes normas: - Estaca e Tubulão – Prova de Carga NBR 12131 – 1991 [3] / NBR 6121 – 1986 [4] - “Standard Test Method for Piles Under Static Axial Compressive Load” [4] ASTM D 1143 – 81 (reapproved 1994) [5] - “Standard Test Method for Individual Piles Under Static Axial Tensile Load” ASTM D 3689 – 90 (reapproved 1995) [6] Vale la pena resaltar que aunque se haya tomado como guía la Norma Brasileña, ninguna de las normas consultadas fue seguida estrictamente. Por ejemplo, dado que las normas proponen una metodología para la verificación de la carga de trabajo, establecen la magnitud de los incrementos de carga y el valor de la carga máxima de ensayo en función de la carga de trabajo prevista para el pilote. Sin embargo, como el objetivo de las investigaciones consistía en alcanzar la carga de ruptura, independientemente del valor de carga de trabajo previsto para cada pilote, en la determinación de la magnitud del incremento de carga no fue seguida ninguna norma en particular. 3.4.1 Metodología de aplicación de cargas Ensayos de carga rápidos Para obtener una clara definición de la curva carga-desplazamiento, la magnitud del incremento de carga varió a lo largo del ensayo. En los primeros escalones de carga el incremento varió entre 20 y 30 kN. El comportamiento carga-desplazamiento del pilote fue controlado durante el ensayo, y cuando el tramo lineal era superado la magnitud del incremento era reducida a 10 kN con el objetivo de caracterizar con la mayor precisión posible el comportamiento carga-desplazamiento del pilote. Vale la pena resaltar que en todos los ensayos ejecutados el número de escalones de carga aplicados fue mayor que 8, en concordancia con las normas consultadas. Ensayos de carga lentos En los ensayos de carga lentos, la magnitud de los incrementos de carga fue establecida de manera similar a los ensayos de carga rápidos. Sin embargo, cada escalón de carga fue mantenido hasta la estabilización de los desplazamientos o hasta 2 horas después de la aplicación de la carga, según lo recomendado tanto por la norma brasileña como por la norma americana. El criterio de estabilización adoptado fue el recomendado por la norma americana. 3.4.2 Metodología de registro de cargas y desplazamientos Ensayos de carga rápidos En cada escalón fueron registrados los valores de carga y desplazamientos en el inicio y en el final del escalón. Además de estos registros, fue realizada una lectura intermedia, de control, a los dos minutos de la aplicación de la carga. Ensayos de carga lentos Se realizaron lecturas de carga y desplazamientos luego de la aplicación de la carga y después de intervalos de tiempo de 2, 4, 8, 15, y 30 minutos y 1 y 2 horas, hasta la estabilización de los desplazamientos. En la Figura 9 son comparados los resultados obtenidos de ensayos rápidos y ensayos lentos realizados. En el caso de los pilotes de hinca de tubo, sobre pilotes primeramente ensayados mediante el procedimiento de carga rápida fue realizado un ensayo de carga lento (R3-L7 y R4-L8); - 10 -
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mientras que en el caso de los pilotes de mecha hueca se realizó primero el ensayo de carga lento, paran luego realizar un ensayo de carga rápido sobre los pilotes previamente ensayados (R17-L19 y R18-L20). En los gráficos presentados en la Figura 9, se observa que los pilotes presentaron comportamientos muy similares en ambos ensayos con relación a la deformabilidad del sistema suelo-pilote. Se obtuvieron además cargas del mismo orden, algo mayores en los ensayos rápidos en ambos casos, observándose un aumento del 5% en promedio. Los resultados obtenidos fueron los esperables dadas las condiciones de drenaje del suelo encontrado.
0
50
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
0
R3.HT.35.450
4 6 8
L7.HT.35.450
10 12 14 16
50
4
10 12 14
0 0
2
2
R17.MH.35.600
6 8
R4.HT.35.450
8
0
10
L8.HT.35.450
6
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
L19.MH.35.600
12 14 16
Desplazamientos (mm)
Desplazamientos (mm)
2
16
0
4
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
0
2
Desplazamientos (mm)
Desplazamientos (mm)
0
50
50
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450 R18.MH.35.600
4 6 8 10
L20.MH.35.600
12 14 16
Figura 9. Comparación de los resultados obtenidos en los ensayos de carga rápidos y lentos 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Los ensayos de carga analizados en este trabajo fueron llevados hasta la rotura física del sistema suelo-pilote, al menos en uno de los dos pilotes ensayados. Vale la pena resaltar que, como ya fue presentado en el ítem 3.2, el dispositivo de carga utilizado ensaya simultáneamente dos pilotes con características geométricas similares (mismo procedimiento constructivo y misma geometría nominal). En la ejecución de los ensayos se observó que no siempre los dos pilotes alcanzaron simultáneamente la rotura. Sin embargo, en todos los ensayos realizados al menos uno de los pilotes ensayados alcanzó la rotura física del sistema suelo-pilote, por lo cual cada situación definida por un determinado procedimiento constructivo y una determinada geometría quedó caracterizada con relación a la carga de rotura. Vale la pena destacar que todos los pilotes estudiados presentaron una rotura del sistema suelo-pilote y no una rotura del pilote como elemento estructural, es decir que el elemento limitante en todos los casos fue la resistencia del suelo.
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Las Figuras 10, 11 y 12 presentan los gráficos carga-desplazamiento obtenidos en los ensayos de carga rápidos realizados en los distintos grupos de pilotes. Mientras que en la Tabla 3 se indican los valores de carga de rotura, para cada tipo de pilote y cada longitud, obtenidos en los ensayos de carga rápidos. Tabla 3. Valores de carga de rotura determinados a partir de los ensayos de carga procedimiento constructivo
hinca de tubo
perforado mecha hueca
50
3.0 4.5 6.0 3.0 4.5 6.0 4.5 6.0
R.1 R.3 R.6 R.9 R.12 R.13 R.15 – R.16 R.17
130 290 441 102 128 240 235 229
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
0 2
Desplazamientos (mm)
0
2 4 6 8 10 12 14
R1.HT.35.300
0
50
6 8 10 12 14
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450 0
2
2
6 8 10 12 R3.HT.35.450
16
0
50
8 10 12 14
R4.HT.35.450
16
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
0 0 2
4 6 8 10 12 R5.HT.35.600
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
6
2
16
50
4
0
14
R2.HT.35.300
0
4
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
4
0
14
50
16
Desplazamientos (mm)
Desplazamientos (mm)
carga de rotura (kN)
0
16
Desplazamientos (mm)
ensayo
Desplazamientos (mm)
Desplazamientos (mm)
0
longitud nominal (m)
50
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
4 6 8 10 12 14 16
R6.HT.35.600
Figura 10. Resultados de los ensayos de carga rápidos realizados en los pilotes de hinca de tubo
- 12 -
X X X I
J O R N A D A S
50
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
0 0
2
2
4 6 8 10 12 14
R9.P.40.300
0
50
8 10 12 14
0
2
2
8 10 12 R11.P.40.450
16
0
50
8 10 12 14
R12.P.40.450
16
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
0 2
Desplazamientos (mm)
0
4 6 8 10 12 R13.P.40.600
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
6
2
16
50
4
0
14
R10.P.40.300
0
6
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
6
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
4
E S T R U C T U R A L
4
0
14
50
16
Desplazamientos (mm)
Desplazamientos (mm)
I N G E N I E R Í A
0
16
Desplazamientos (mm)
D E
Desplazamientos (mm)
Desplazamientos (mm)
0
S U D - A M E R I C A N A S
50
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
4 6 8 10 12 14
R14.P.40.600
16
Figura 11. Resultados de los ensayos de carga rápidos realizados en los pilotes perforados
50
0 0
2
2
Desplazamientos (mm)
0
4 6 8 10 12 14
R15.MH.35.450
16
0
Desplazamientos (mm)
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
50
6 8 10 12 14
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450 0
2
2
6 8 10 12
16
R16.MH.35.450
0
4
R17.MH.35.600
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
4
0
14
50
16
Desplazamientos (mm)
Desplazamientos (mm)
0
50
Carga (kN) 100 150 200 250 300 350 400 450
4 6 8 10 12 14 16
R18.MH.35.600
Figura 12. Resultados de los ensayos de carga rápidos realizados en los pilotes de mecha hueca - 13 -
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S U D - A M E R I C A N A S
D E
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E S T R U C T U R A L
4.1 Previsión de capacidad de carga a partir de N(SPT) En este ítem la capacidad de carga de los pilotes ensayados es calculada utilizando el Método de Aoki & Velloso (1975) [7], y comparada con los valores de carga de rotura encontrados en los ensayos de carga. El Método de Aoki & Velloso (1975) es un método estadístico desarrollado en base a correlaciones entre las resistencias por rozamiento lateral y de punta, medidas en prototipos de diferentes tipos de pilotes y los resultados de ensayos de penetración de cono (CPT). En ausencia de resultados de ensayos CPT, los autores proponen una extensión de las correlaciones a los resultados del ensayo SPT a través de un coeficiente K. La elección del método de Aoki & Velloso se basa en el hecho de que es un método consagrado en la práctica brasileña, siendo en realidad el más utilizado para la previsión de capacidad de carga de pilotes en aquel país, y un método también utilizado en Uruguay. Es importante resaltar que se trata de un método de origen estadístico, y por lo tanto resulta influenciado por las condiciones locales de ejecución y características de los suelos, reflejando experiencias estrictamente regionales. En tal sentido, los autores de este tipo de métodos advierten siempre que la extrapolación a otros tipos de pilotes y otros suelos debe ser realizada con cautela, recomendando la validación del método a través de ensayos de carga. El objetivo de este ítem es precisamente evaluar la adecuación del método analizado a condiciones usualmente encontradas en la realidad uruguaya. Según el Método de Aoki & Velloso la carga de rotura del pilote está dada por la expresión: QR = A P
K ⋅ NP α ⋅ K ⋅ Nm + P∑ ∆L F1 F2
(1)
donde: AP NP P Nm ∆L
: área de la punta del pilote; : valor de NSPT en la punta del pilote; : perímetro del pilote; : valor médio de NSPT para cada ∆L; : espesor de la capa de sueloconsiderado
El coeficiente α expresa la relación entre las resistencias de punta y lateral del ensayo CPT. Los coeficientes K y α son variables dependientes del tipo de suelo. F1 y F2 son coeficientes de correlación entre las resistencias de punta y lateral, respectivamente, que tienen en cuenta las diferencias de comportamiento entre el pilote (prototipo) y el cono del ensayo CPT (modelo). Una descripción mas detallada del método, junto con los valores de los coeficientes involucrados puede encontrarse en Abreu (2002). La Figura 13 resume los parámetros K y α, utilizados en los cálculos de previsión de capacidad de carga de los pilotes analizados en este trabajo. Para el caso de los pilotes hinca de tubo, los valores F1 y F2 de son 2.5 y 5 respectivamente, mientras que para los pilotes perforados entubados y los de mecha hueca se adoptaron valores de F1 y F2 iguales a 3.5 y 7 respectivamente.
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prof. (m)
1
D E
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tipo de suelo
N(SPT)
2
K (MPa)
α (%)
0.80
2.0
6
arena limosa
E S T R U C T U R A L
12
3
limo arcilloso
7
0.23
3.4
4
arena
8
1.00
1.4
0.35
2.4
6
5
9
arcilla arenosa
6
13
7
Figura 13. Valores de K y α utilizados en el método de Aoki & Velloso En la Tabla 4 se comparan los valores de carga de rotura medidos en los ensayos de carga rápidos y estimados mediante el método de Aoki & Velloso, para cada tipo de pilote y cada longitud. Tabla 4. Valores de carga de rotura medidos en los ensayos de carga y previstos por le Método de Aoki & Velloso carga de rotura (kN) procedimiento constructivo
hinca de tubo
perforado mecha hueca
longitud nominal (m)
medida
calculada
3.0 4.5 6.0 3.0 4.5 6.0 4.5 6.0
130 290 441 102 128 240 235 229
58 89 110 47 72 90 63 79
Qcalc / Qmed
0.45 0.31 0.25 0.46 0.56 0.38 0.27 0.34
Como puede ser observado en la Tabla 4 el método de Aoki & Velloso (1975) da como resultado valores conservadores. Los valores calculados resultan en promedio del orden del 38% de los valores medidos en los ensayos de carga. Se observa también que la relación (Qcalc/Qmed) tiende a ser mayor en los pilotes perforados, presentando un valor promedio de 47%, mientras que en el caso de los pilotes de hinca de tubo la relación (Qcalc/Qmed) hallada fue del 34% y en los perforados con mecha hueca de 31%.
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D E
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E S T R U C T U R A L
5. CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos es posible extraer las siguientes conclusiones: -
con relación a la influencia de la velocidad de carga, los pilotes ensayados utilizando ambos procedimientos, ensayo rápido y ensayo lento, presentaron comportamientos muy similares en ambos ensayos con relación a la deformabilidad del sistema suelo-pilote, obteniéndose cargas de rotura del mismo orden, algo mayores en los ensayos rápidos, observándose un aumento del 5% en promedio. Los resultados obtenidos fueron los esperables dadas las condiciones de drenaje del suelo encontrado.
-
los pilotes de hinca de tubo fueron los que presentaron mayores cargas de rotura. Las causas de la mayor resistencia a la tracción presentada por estos pilotes podrían ser presencia de un bulbo en su punta, y un mayor rozamiento lateral provocado por la compactación del hormigón durante el llenado del pilote.
-
la utilización del método de Aoki & Velloso (1975) da como resultado valores conservadores de la carga de rotura. Los valores calculados resultan en promedio del orden del 38% de los valores medidos en los ensayos de carga. Se observa también que la relación (Qcalc/Qmed) tiende a ser mayor en los pilotes perforados, presentando un valor promedio de 47%, mientras que en el caso de los pilotes de hinca de tubo la relación (Qcalc/Qmed) hallada fue del 34% y en los perforados con mecha hueca de 31%. Los resultados obtenidos confirman la tendencia del método de Aoki & Velloso (1975) a subestimar los valores de carga de rotura, observada en las investigaciones anteriores realizadas para los suelos de la Formación Libertad. Como continuación de los trabajos se deberían realizar más ensayos, de modo de contar con mas datos para extender la fórmula propuesta para la Formación Libertad, ver Gutiérrez et al (2003) [8].
6. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República, a la Comisión Sectorial de Investigación Científica (CSIC), a UTE y al Ing. Ernesto Patrone, por los apoyos brindados a los trabajos de campo que dieron origen a este trabajo. 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ABREU, L; “Estacas escavadas de pequeno diámetro nos solos argilosos da Formação “Libertad”, Uruguai”; dissertação de mestrado; CPGEC/UFRGS; Porto Alegre, 2002 [2] IET: IE 2/54; “Procedimiento para el Ensayo de Pilotes”. Instituto de Estructuras y Transporte, Facultad de Ingeniería; Montevideo; 1954 [3] ABNT: NBR 12131/1991; Estacas- Prova de carga estática – Método de ensaio; Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1991 [4] ABNT: NBR 6121/1986; Estaca e tubulão – Prova de Carga – Método de ensaio; Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1986
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X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
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E S T R U C T U R A L
[5] ASTM D 1143/81 (r.1994); Standard test method for piles under static axial compressive load; American Society for Testing Materials; 1994 [6] ASTM D 3689/90 (r.1995); Standard test method for individual piles under static axial tensile load; American Society for Testing Materials; 1995 [7] AOKI, N; VELLOSO D.A.; “An approximate method to estimate the bearing capacity of piles”, in: V PCSMFE, vol. 5, pp. 373-388; Buenos Aires; 1975 [8] GUTIÉRREZ, A; PEREYRA, M N; ABREU, L; HOFFMANN, C; HASARD, D.; “Load capacity of small diameter bored piles in clayey soils of Libertad geological formation, Uruguay”; XII Panamerican Congress on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering; Boston, EEUU, Mayo 2003.
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