Una cimentación profunda es un tipo de cimentación que transfiere cargas del edificio a la tierra más abajo de la superficie que una cimentación poco profunda a una capa subsuperficial o a un rango de profundidades. Un pilote o pilote es un elemento estructural vertical de una cimentación profunda, hincado o perforado profundamente en el suelo en el sitio de construcción .
Hay muchas razones por las que un ingeniero geotécnico recomendaría una cimentación profunda en lugar de una cimentación poco profunda, como para un rascacielos . Algunas de las razones más comunes son cargas de diseño muy grandes, un suelo pobre a poca profundidad o limitaciones del sitio, como límites de propiedad . Se utilizan diferentes términos para describir diferentes tipos de cimentaciones profundas, incluido el pilote (que es análogo a un poste), el pilar (que es análogo a una columna ), pozos perforados y cajones . Los pilotes generalmente se hunden en el suelo in situ ; otras cimentaciones profundas generalmente se colocan mediante excavación y perforación. Las convenciones de nomenclatura pueden variar entre disciplinas de ingeniería y empresas. Las cimentaciones profundas pueden estar hechas de madera , acero , hormigón armado u hormigón pretensado .
Los pilotes prefabricados se hunden en el suelo mediante un martinete . Los pilotes hincados se construyen de madera, hormigón armado o acero. Las pilas de madera se fabrican con troncos de árboles altos. Los pilotes de hormigón están disponibles en secciones transversales cuadradas, octogonales y redondas (como los pilotes Franki ). Están reforzados con barras de refuerzo y, a menudo , pretensados . Los pilotes de acero son pilotes de tubos o algún tipo de sección de viga (como un pilote en H). Históricamente, los pilotes de madera utilizaban empalmes para unir múltiples segmentos de extremo a extremo cuando la profundidad hincada requerida era demasiado larga para un solo pilote; Hoy en día, el empalme es común con pilotes de acero, aunque los pilotes de hormigón se pueden empalmar con medios mecánicos y de otro tipo. Hincar pilotes, a diferencia de perforar pozos, es ventajoso porque el suelo desplazado al hincar los pilotes comprime el suelo circundante, provocando una mayor fricción contra los lados de los pilotes, aumentando así su capacidad de carga . Los pilotes hincados también se consideran "probados" en cuanto a su capacidad de carga debido a su método de instalación; por eso, el lema de la Asociación de Contratistas de Hincado de Pilotes es "Un pilote hincado... ¡es un pilote probado!". [1]
Las cimentaciones que se basan en pilotes hincados a menudo tienen grupos de pilotes conectados por un encepado (un gran bloque de hormigón en el que se incrustan las cabezas de los pilotes) para distribuir cargas mayores de las que un pilote puede soportar. Los encepados y los pilotes aislados generalmente se conectan con vigas de nivel para unir los elementos de cimentación; Los elementos estructurales más ligeros se apoyan sobre las vigas de nivel, mientras que los elementos más pesados se apoyan directamente sobre el encepado del pilote. [ cita necesaria ]
Una cimentación monopilar utiliza un único elemento estructural de cimentación, generalmente de gran diámetro, para soportar todas las cargas (peso, viento, etc.) de una estructura grande sobre la superficie.
En los últimos años se han utilizado un gran número de cimentaciones monopilares [2] para construir de forma económica parques eólicos marinos de fondo fijo en ubicaciones submarinas de aguas poco profundas . [3] Por ejemplo, el parque eólico Horns Rev en el Mar del Norte al oeste de Dinamarca utiliza 80 grandes monopilotes de 4 metros de diámetro hundidos a 25 metros de profundidad en el fondo marino, [4] mientras que el parque eólico Lynn and Inner Dowsing frente a la costa de Inglaterra entró en funcionamiento en 2008 con más de 100 turbinas, cada una montada sobre una base monopilar de 4,7 metros de diámetro en profundidades del océano de hasta 18 metros. [5]
El proceso típico de construcción de una cimentación monopilote submarina de turbina eólica en arena incluye hincar un gran pilote hueco de acero, de unos 4 m de diámetro con paredes de aproximadamente 50 mm de espesor, a unos 25 m de profundidad en el fondo marino, a través de una capa de 0,5 m de piedra más grande y grava para minimizar la erosión alrededor del pilote. Se fija al pilote hincado una pieza de transición (completa con elementos preinstalados, como dispositivo de desembarco de embarcaciones, protección catódica , conductos para cables submarinos, brida de torre de turbina, etc.) y se retiran la arena y el agua. el centro del pilote y reemplazado con concreto . Se aplica una capa adicional de piedra aún más grande, de hasta 0,5 m de diámetro, a la superficie del fondo marino para una protección contra la erosión a largo plazo. [3]
También llamados cajones , pozos perforados , pilares perforados , pilotes moldeados en orificios perforados (piles CIDH) o pilotes moldeados in situ , se perfora un pozo en el suelo y luego se coloca hormigón (y a menudo algún tipo de refuerzo). en el pozo para formar el pilote. Las técnicas de perforación rotatoria permiten pilotes de mayor diámetro que cualquier otro método de pilotaje y permiten la construcción de pilotes a través de estratos particularmente densos o duros. Los métodos de construcción dependen de la geología del sitio; en particular, si la perforación se realizará en condiciones de suelo "seco" o a través de estratos saturados de agua. El revestimiento se utiliza a menudo cuando es probable que los lados del pozo se desprendan antes de verter el hormigón.
En el caso de pilotes de apoyo, la perforación continúa hasta que el pozo haya alcanzado una profundidad suficiente (encaje) hasta formar una capa suficientemente resistente. Dependiendo de la geología del sitio, puede ser una capa de roca , una capa dura u otras capas densas y fuertes. Tanto el diámetro como la profundidad del pilote son muy específicos de las condiciones del terreno, las condiciones de carga y la naturaleza del proyecto. Las profundidades de los pilotes pueden variar sustancialmente a lo largo de un proyecto si la capa de soporte no está nivelada. Los pilotes perforados se pueden probar utilizando una variedad de métodos para verificar la integridad del pilote durante la instalación.
Los pilotes ensanchados tienen bases agrandadas formadas mecánicamente que tienen hasta 6 m de diámetro. [ cita necesaria ] La forma es la de un cono invertido y solo puede formarse en suelos o rocas estables. El mayor diámetro de la base permite una mayor capacidad de carga que un pilote de eje recto.
Estos pilotes son adecuados para suelos expansivos, frecuentemente sujetos a variaciones estacionales de humedad, o para estratos sueltos o blandos. Se utilizan en condiciones normales del suelo también cuando la economía es favorable.[6] [ se necesita cita completa ]
La base bajo pilotes escariados se utiliza para los siguientes suelos: -
1. En suelo de algodón negro se utilizan pilotes bajo escariado: Este tipo de suelo se expande cuando entra en contacto con el agua y se contrae cuando se retira el agua. Para que aparezcan grietas en la construcción realizada sobre dicha arcilla. Se utiliza una pila poco escariada en la base para eliminar este defecto.
2. Los pilotes bajo escariado se utilizan en suelos obsoletos de baja capacidad de carga (suelos rellenos)
3. Los pilotes bajo escariado se utilizan en suelos arenosos cuando el nivel freático es alto.
4. Se utilizan pilotes escariados cuando aparecen fuerzas de elevación en la base de los cimientos.
Un pilote de barrena, a menudo conocido como pilote de barrena continua (CFA), se forma perforando el suelo con una barrena de barrena continua de vástago hueco hasta la profundidad o el grado de resistencia requeridos. No se requiere carcasa. Luego se bombea una mezcla de lechada de cemento hacia abajo por el vástago de la barrena. Mientras se bombea la lechada de cemento, la barrena se retira lentamente, transportando la tierra hacia arriba a lo largo de las paletas. Se forma un pozo de lechada de cemento fluido hasta el nivel del suelo. Se puede instalar refuerzo. Las innovaciones recientes, además del estricto control de calidad, permiten colocar jaulas de refuerzo en toda la longitud de una pila cuando sea necesario. [ cita necesaria ]
Los pilotes de barrena causan una perturbación mínima y a menudo se utilizan en sitios sensibles al ruido y al medio ambiente. Los pilotes de barrena generalmente no son adecuados para su uso en suelos contaminados debido a los altos costos de eliminación de desechos. En casos como estos, un pilote de desplazamiento (como los pilotes Olivier ) puede proporcionar la rentabilidad de un pilote de barrena y un impacto ambiental mínimo. En terrenos que contienen obstrucciones o adoquines y cantos rodados, los pilotes moldeados con barrena son menos adecuados ya que se pueden encontrar rechazos por encima de la elevación de la punta del pilote de diseño. [ cita necesaria ]
Los equipos de pilotaje con barrena seccional pequeña también se pueden utilizar para cimientos de balsas apiladas. Estos producen el mismo tipo de pilote que un equipo de barrena de vuelo continuo, pero utilizando equipos más pequeños y livianos. Este método de pilotaje es rápido, rentable y adecuado para la mayoría de tipos de terreno. [6] [7]
En los cimientos de pilares perforados, los pilares se pueden conectar con vigas de nivel sobre las cuales se asienta la estructura, a veces con cargas pesadas de columnas que se apoyan directamente sobre los pilares. En algunas construcciones residenciales, los pilares se extienden por encima del nivel del suelo y se utilizan vigas de madera que se apoyan en los pilares para soportar la estructura. Este tipo de cimientos da como resultado un espacio de acceso debajo del edificio en el que se pueden colocar cables y conductos durante la construcción o remodelación. [8]
En el pilotaje por chorro se utiliza agua a alta presión para fijar los pilotes. [9] El agua a alta presión atraviesa el suelo con un chorro de alta presión y permite colocar el pilote. [10] Una ventaja del Jet Piling: el chorro de agua lubrica el pilote y ablanda el suelo. [11] El método se utiliza en Noruega. [12]
Los micropilotes son elementos de pequeño diámetro, generalmente de menos de 300 mm de diámetro, que se perforan y se inyectan en el lugar. Por lo general, obtienen su capacidad de la fricción superficial a lo largo de los lados del elemento, pero también pueden soportar extremos en roca dura. Los micropilotes suelen estar fuertemente reforzados con acero que comprende más del 40% de su sección transversal. Pueden utilizarse como soporte estructural directo o como elementos de refuerzo del suelo. Debido a su costo relativamente alto y al tipo de equipo utilizado para instalar estos elementos, a menudo se utilizan donde existen restricciones de acceso o condiciones del terreno muy difíciles (adoquines y cantos rodados, escombros de construcción, karst, sensibilidad ambiental) o para modernizar estructuras existentes. En ocasiones, en terrenos difíciles, se utilizan para elementos de cimentación de nueva construcción. Las aplicaciones típicas incluyen proyectos de apuntalamiento , puentes , torres de transmisión y estabilización de taludes . [7] [13] [14] [15]
El uso de un trípode para instalar pilotes es una de las formas más tradicionales de formar pilotes. Aunque los costos unitarios son generalmente más altos que con la mayoría de las otras formas de apilamiento, [ cita necesaria ] tiene varias ventajas que han asegurado su uso continuo hasta el día de hoy. El sistema de trípode es fácil y económico de llevar al sitio, lo que lo hace ideal para trabajos con una pequeña cantidad de pilas. [ se necesita aclaración ]
Tablestacas es una forma de pilotaje hincado que utiliza finas láminas de acero entrelazadas para obtener una barrera continua en el suelo. La principal aplicación de las tablestacas es en muros de contención y ataguías construidas para permitir el desarrollo de obras permanentes. Normalmente, se utilizan martillos vibratorios, grúas en T y perforación sobre orugas para establecer Tablestacas. [ cita necesaria ]
Los pilotes soldados, también conocidos como pilotes rey o muros de Berlín, se construyen con secciones en H de acero espaciadas entre 2 y 3 m y se hincan o perforan antes de la excavación. A medida que avanza la excavación, se insertan láminas de madera horizontales (revestimiento) detrás de las alas del pilote H.
Las presiones horizontales del suelo se concentran en los pilotes soldados debido a su relativa rigidez en comparación con el revestimiento. El movimiento y el hundimiento del suelo se minimizan instalando el revestimiento inmediatamente después de la excavación para evitar la pérdida de suelo. [ cita necesaria ] El revestimiento se puede construir con madera, hormigón prefabricado, hormigón proyectado y placas de acero, según el espaciamiento de los pilotes soldados y el tipo de suelo.
Los pilotes soldados son más adecuados en condiciones donde las paredes bien construidas no darán lugar a hundimientos, como arcillas sobreconsolidadas, suelos por encima del nivel freático si tienen cierta cohesión y suelos de libre drenaje que pueden deshidratarse eficazmente, como las arenas. [ cita necesaria ]
Los suelos inadecuados incluyen arcillas blandas y suelos débiles que permiten grandes movimientos, como arenas sueltas. Tampoco es posible extender el muro más allá del fondo de la excavación y, a menudo, es necesario deshidratarlo. [ cita necesaria ]
Los pilotes de tornillos , también llamados pilares helicoidales y cimentaciones de tornillos , se utilizan como cimientos en faros de pilotes de tornillos desde mediados del siglo XIX . [ cita necesaria ] Los pilotes de tornillos son tubos de hierro galvanizado con aletas helicoidales que se hunden en el suelo mediante máquinas hasta la profundidad requerida. El tornillo distribuye la carga al suelo y tiene el tamaño correspondiente.
Los pilotes de succión se utilizan bajo el agua para asegurar plataformas flotantes. Los pilotes tubulares se introducen en el lecho marino (o, más comúnmente, se dejan caer unos pocos metros en un lecho marino blando) y luego una bomba succiona agua en la parte superior del tubular, empujando el pilote hacia abajo.
Las proporciones del pilote (diámetro a altura) dependen del tipo de suelo. La arena es difícil de penetrar pero proporciona una buena capacidad de retención, por lo que la altura puede ser tan corta como la mitad del diámetro. Las arcillas y los lodos son fáciles de penetrar pero tienen poca capacidad de retención, por lo que la altura puede ser hasta ocho veces el diámetro. La naturaleza abierta de la grava significa que el agua fluiría a través del suelo durante la instalación, provocando un flujo en forma de "tubería" (donde el agua hierve a través de caminos más débiles a través del suelo). Por lo tanto, los pilotes de succión no se pueden utilizar en fondos marinos de grava. [ cita necesaria ]
En latitudes altas donde el suelo está continuamente congelado , los pilotes adfreeze se utilizan como método principal de cimentación estructural.
Las pilas de adfreeze obtienen su fuerza de la unión del suelo congelado que las rodea con la superficie de la pila. [ cita necesaria ]
Los cimientos de pilotes adfreeze son particularmente sensibles en condiciones que provocan el derretimiento del permafrost. Si un edificio se construye incorrectamente, puede derretir el suelo que se encuentra debajo, lo que provocará una falla en el sistema de cimientos. [ cita necesaria ]
Las columnas de piedra vibratorias son una técnica de mejora del suelo en la que se colocan columnas de agregado grueso en suelos con poco drenaje o capacidad de carga para mejorar los suelos. [ cita necesaria ]
Específicos de las estructuras marinas, los pilotes de hospitales (también conocidos como pilotes de horca) se construyen para proporcionar soporte temporal a los componentes de las estructuras marinas durante los trabajos de remodelación. Por ejemplo, al retirar un pontón de río, la frente se sujetará al pilote del hospital para sostenerlo. Son pilas normales, normalmente con una cadena o un gancho.
Las paredes apiladas se pueden hincar o perforar. Proporcionan ventajas especiales cuando el espacio de trabajo disponible lo exige y la excavación a cielo abierto no es factible. Ambos métodos son técnicamente efectivos y ofrecen un medio temporal o permanente rentable para retener los lados de excavaciones masivas incluso en estratos que contienen agua. Cuando se utilizan en obras permanentes, estos muros pueden diseñarse para resistir cargas verticales además de cargas laterales provenientes del suelo de contención. La construcción de ambos métodos es la misma que para los pilotes de cimentación. Los muros contiguos se construyen con pequeños espacios entre pilotes adyacentes. La separación de los pilotes se puede variar para proporcionar una rigidez a la flexión adecuada.
Los muros de pilotes secantes se construyen de manera que quede espacio entre pilotes 'hembras' alternos para la posterior construcción de pilotes 'machos'. [ se necesita aclaración ] La construcción de pilotes 'machos' implica perforar el concreto en el orificio de los pilotes 'hembras' para encajar los pilotes 'machos' entre ellos. El pilote macho es aquel en el que se instalan jaulas de refuerzo de acero, aunque en algunos casos los pilotes hembra también están reforzados. [ cita necesaria ]
Los muros apilados secantes pueden ser realmente duros/duros, duros/intermedios (firmes) o duros/blandos, según los requisitos de diseño. Duro se refiere al hormigón estructural y firme o blando suele ser una mezcla de lechada más débil que contiene bentonita. [ cita necesaria ] Todos los tipos de muros se pueden construir como voladizos independientes o se pueden apuntalar si el espacio y el diseño de la subestructura lo permiten. Cuando los acuerdos de pared medianera lo permitan, se pueden utilizar anclajes al suelo como amarres.
Un muro pantalla es una barrera construida bajo tierra utilizando una mezcla de bentonita y agua para evitar el flujo de agua subterránea. Una zanja que colapsaría debido a la presión hidráulica en el suelo circundante no colapsa ya que la lechada equilibra la presión hidráulica.
Se trata esencialmente de variaciones de refuerzos in situ en forma de pilotes (como se mencionó anteriormente), bloques o volúmenes mayores.
Se mezclan con el suelo cemento, cal/cal viva, cenizas volantes, lodos y/u otros aglutinantes (a veces llamados estabilizadores) para aumentar la capacidad de carga. El resultado no es tan sólido como el hormigón, pero debe verse como una mejora de la capacidad portante del suelo original.
La técnica se aplica con mayor frecuencia sobre arcillas o suelos orgánicos como la turba . La mezcla se puede realizar bombeando el conglomerante al suelo mientras se mezcla con un dispositivo normalmente montado en una excavadora o excavando las masas, mezclándolas por separado con los conglomerantes y rellenándolas en la zona deseada. La técnica también se puede utilizar en masas ligeramente contaminadas como medio para unir contaminantes, en lugar de excavarlas y transportarlas al vertedero o procesarlas.
Como su nombre indica, los pilotes de madera están hechos de madera .
Históricamente, la madera ha sido un recurso abundante y disponible localmente en muchas áreas. Hoy en día, los pilotes de madera siguen siendo más asequibles que el hormigón o el acero. En comparación con otros tipos de pilotes (acero u hormigón), y dependiendo de la fuente/tipo de madera, los pilotes de madera pueden no ser adecuados para cargas más pesadas.
Una consideración principal con respecto a los pilotes de madera es que deben protegerse para que no se pudran por encima del nivel del agua subterránea . La madera durará mucho tiempo por debajo del nivel freático. Para que la madera se pudra se necesitan dos elementos: agua y oxígeno. Debajo del nivel del agua subterránea, falta oxígeno disuelto a pesar de que hay abundante agua. Por lo tanto, la madera tiende a durar mucho tiempo por debajo del nivel freático. En 1648, el Palacio Real de Ámsterdam se construyó sobre 13.659 pilotes de madera que aún sobreviven hoy en día, ya que estaban bajo el nivel del agua subterránea. La madera que se va a utilizar por encima del nivel freático puede protegerse de la descomposición y de los insectos mediante numerosas formas de conservación de la madera mediante tratamientos a presión ( cuaternario de cobre alcalino (ACQ), arseniato de cobre cromado (CCA), creosota , etc.).
Empalmar pilotes de madera sigue siendo bastante común y es el más fácil de empalmar de todos los materiales de pilotes. El método normal para empalmar es hincar primero el pilote guía, introduciendo un tubo de acero (normalmente de 60 a 100 cm de largo, con un diámetro interno no menor que el diámetro mínimo de la punta) de la mitad de su longitud en el extremo del pilote guía. Luego simplemente se inserta el pilote seguidor en el otro extremo del tubo y se continúa hincando. El tubo de acero simplemente está ahí para garantizar que las dos piezas se sigan durante la conducción. Si se requiere capacidad de elevación, el empalme puede incorporar pernos, tirafondos, púas o similares para darle la capacidad necesaria.
Se puede utilizar hierro fundido para apilar. Estos pueden ser dúctiles . [ cita necesaria ]
Los pilotes tubulares son un tipo de cimentación de pilotes hincados de acero y son un buen candidato para pilotes inclinados ( rebozados ).
Los pilotes de tuberías se pueden hincar con el extremo abierto o cerrado. Cuando se conduce por el extremo abierto, se permite que la tierra entre al fondo de la tubería o tubo. Si se requiere una tubería vacía, se puede utilizar un chorro de agua o una barrena para eliminar la tierra del interior después de la conducción. Los pilotes de tubos con extremos cerrados se construyen cubriendo la parte inferior del pilote con una placa de acero o una zapata de acero fundido.
En algunos casos, los pilotes de tuberías se rellenan con hormigón para proporcionar capacidad de momento adicional o resistencia a la corrosión. En el Reino Unido, esto generalmente no se hace para reducir el costo. En estos casos, la protección contra la corrosión se proporciona permitiendo un espesor de acero de sacrificio o adoptando un grado de acero más alto. Si un pilote de tubería lleno de concreto se corroe, la mayor parte de la capacidad de carga del pilote permanecerá intacta debido al concreto, mientras que se perderá en un pilote de tubería vacío. La capacidad estructural de los pilotes de tuberías se calcula principalmente en función de la resistencia del acero y la resistencia del hormigón (si está relleno). Se hace un margen para la corrosión dependiendo de las condiciones del sitio y los códigos de construcción locales. Los pilotes de tubos de acero pueden ser acero nuevo fabricado específicamente para la industria de pilotes o carcasas tubulares de acero recuperado utilizadas anteriormente para otros fines, como la exploración de petróleo y gas.
Los pilotes H son vigas estructurales que se hunden en el suelo para aplicaciones de cimientos profundos. Se pueden cortar o unir fácilmente mediante soldadura o empalmadores mecánicos. Si el pilote se hunde en un suelo con un valor de pH bajo , entonces existe riesgo de corrosión; se puede aplicar epoxi de alquitrán de hulla o protección catódica para retardar o eliminar el proceso de corrosión. Es común tener en cuenta una cierta cantidad de corrosión en el diseño simplemente sobredimensionando el área de la sección transversal del pilote de acero. De esta forma, el proceso de corrosión puede prolongarse hasta 50 años.
Los pilotes de hormigón generalmente se fabrican con refuerzo de acero y tendones de pretensado para obtener la resistencia a la tracción requerida, para sobrevivir a la manipulación e hinca, y para proporcionar suficiente resistencia a la flexión.
Las pilas largas pueden resultar difíciles de manipular y transportar. Las juntas de pilotes se pueden utilizar para unir dos o más pilotes cortos para formar un pilote largo. Las juntas de pilotes se pueden utilizar tanto con pilotes de hormigón prefabricados como pretensados.
Un "pilote compuesto" es un pilote hecho de acero y elementos de hormigón que se unen entre sí, de extremo a extremo, para formar un solo pilote. Es una combinación de diferentes materiales o materiales de diferentes formas, como tubos y vigas en H o acero y hormigón.
Maquinaria de construcción utilizada para clavar pilotes en el suelo: [16]
Maquinaria de construcción utilizada para construir pilotes de reemplazo: [16]
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