Una cimentación profunda es un tipo de cimentación que transfiere las cargas de construcción a la tierra a una profundidad mayor que la de una cimentación superficial, que lo hace a una capa subterránea o a un rango de profundidades. Un pilote o pilote es un elemento estructural vertical de una cimentación profunda, que se clava o perfora profundamente en el suelo en el lugar de la construcción .
Hay muchas razones por las que un ingeniero geotécnico recomendaría una cimentación profunda en lugar de una cimentación superficial, como por ejemplo para un rascacielos . Algunas de las razones más comunes son cargas de diseño muy grandes, un suelo deficiente a poca profundidad o limitaciones del sitio como los límites de propiedad . Hay diferentes términos que se utilizan para describir diferentes tipos de cimentaciones profundas, incluidos el pilote (que es análogo a un poste), el pilar (que es análogo a una columna ), los pozos perforados y los cajones . Los pilotes generalmente se introducen en el suelo in situ ; otras cimentaciones profundas generalmente se colocan mediante excavación y perforación. Las convenciones de nomenclatura pueden variar entre las disciplinas de ingeniería y las empresas. Las cimentaciones profundas pueden estar hechas de madera , acero , hormigón armado u hormigón pretensado .
Los pilotes prefabricados se introducen en el suelo mediante un martinete . Los pilotes hincados se construyen de madera, hormigón armado o acero. Los pilotes de madera se fabrican a partir de troncos de árboles altos. Los pilotes de hormigón están disponibles en secciones transversales cuadradas, octogonales y redondas (como los pilotes Franki ). Se refuerzan con varillas de refuerzo y suelen estar pretensados . Los pilotes de acero son pilotes de tubo 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 de hincado necesaria era demasiado larga para un solo pilote; hoy en día, los empalmes son comunes con los pilotes de acero, aunque los pilotes de hormigón se pueden empalmar con medios mecánicos y de otro tipo. La hinca de pilotes, a diferencia de los pozos de perforación, es ventajosa porque el suelo desplazado al hincar los pilotes comprime el suelo circundante, lo que provoca una mayor fricción contra los lados de los pilotes, lo que aumenta su capacidad de carga . Los pilotes hincados también se consideran "probados" en cuanto a su capacidad de soportar peso debido a su método de instalación; por lo tanto, el lema de la Asociación de Contratistas de Hincamiento de Pilotes es "¡Un pilote hincado... es un pilote probado!". [1]
Las cimentaciones que se basan en pilotes hincados suelen tener 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 superiores a las que puede soportar un pilote. Los encepados y los pilotes aislados suelen estar conectados con vigas de cimentación para unir los elementos de cimentación; los elementos estructurales más ligeros se apoyan en las vigas de cimentación, mientras que los elementos más pesados se apoyan directamente en el encepado. [ cita requerida ]
Una cimentación monopilote utiliza un único elemento estructural de cimentación, generalmente de gran diámetro, para soportar todas las cargas (peso, viento, etc.) de una gran estructura sobre la superficie.
En los últimos años se han utilizado un gran número de cimientos de monopilotes [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 lecho 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 de monopilote de 4,7 metros de diámetro en profundidades oceánicas de hasta 18 metros. [5]
El proceso típico de construcción de una cimentación monopilote submarina de una 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 lecho 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 una pieza de transición (completa con características preinstaladas como un dispositivo de amarre de embarcaciones, protección catódica , conductos para cables submarinos, brida de torre de turbina, etc.) al pilote hincado, y se retira la arena y el agua del centro del pilote y se reemplazan con hormigón . Se aplica una capa adicional de piedra aún más grande, de hasta 0,5 m de diámetro, a la superficie del lecho marino para una protección contra la erosión a largo plazo. [3]
También llamados cajones , pilotes perforados , pilares perforados , pilotes fundidos en pozos perforados (pilotes CIDH) o pilotes fundidos in situ , se perfora un pozo en el suelo, 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 los pilotes con apoyo en los extremos, la perforación continúa hasta que el pozo se ha extendido a una profundidad suficiente (encastre) en una capa suficientemente fuerte. Según la geología del sitio, puede ser una capa de roca , una capa dura u otras capas densas y fuertes. Tanto el diámetro del pilote como su profundidad 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 en un proyecto si la capa de apoyo 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 ensanchadas formadas mecánicamente que tienen hasta 6 m de diámetro. [ cita requerida ] La forma es la de un cono invertido y solo se puede formar en suelos o rocas estables. El diámetro de base más grande permite una mayor capacidad de carga que un pilote de fuste recto.
Estos pilotes son adecuados para suelos expansivos que suelen estar sujetos a variaciones de humedad estacionales, o para estratos sueltos o blandos. Se utilizan en condiciones de suelo normales también cuando la economía es favorable. [6] [ cita completa requerida ]
La cimentación con pilotes ensanchados se utiliza para los siguientes suelos:
1. En el suelo de algodón negro se utilizan pilotes subensanados: Este tipo de suelo se expande al entrar en contacto con el agua y se contrae al retirar el agua, por lo que aparecen grietas en la construcción realizada sobre dicha arcilla. Para eliminar este defecto se utiliza un pilote subensanado en la base.
2. Los pilotes subensamblados se utilizan en suelos obsoletos de baja capacidad de carga (suelos rellenos)
3. Los pilotes subensamblados se utilizan en suelos arenosos cuando el nivel freático es alto.
4. Se utilizan pilotes subensamblados, donde las fuerzas de elevación aparecen en la base de la cimentación.
Un pilote de barrena, a menudo conocido como pilote de barrena continua (CFA), se forma perforando el suelo con una barrena continua de vástago hueco hasta la profundidad o el grado de resistencia requeridos. No se requiere revestimiento. Luego se bombea una mezcla de lechada de cemento por el vástago de la barrena. Mientras se bombea la lechada de cemento, la barrena se retira lentamente, transportando el suelo hacia arriba a lo largo de las espiras. Se forma un eje de lechada de cemento fluida hasta el nivel del suelo. Se puede instalar refuerzo. Las innovaciones recientes, además de un estricto control de calidad, permiten colocar jaulas de refuerzo hasta la longitud total de un pilote cuando sea necesario. [ cita requerida ]
Los pilotes de barrena causan una perturbación mínima y se utilizan a menudo en sitios sensibles al ruido y al medio ambiente. Los pilotes de barrena no suelen ser adecuados para su uso en suelos contaminados, debido a los elevados costes de eliminación de residuos. En casos como estos, un pilote de desplazamiento (como los pilotes Olivier ) puede proporcionar la rentabilidad de un pilote de barrena y un impacto medioambiental mínimo. En terrenos que contienen obstrucciones o adoquines y rocas, los pilotes de barrena son menos adecuados, ya que pueden encontrarse obstáculos por encima de la elevación de diseño de la punta del pilote. [ cita requerida ]
También se pueden utilizar pequeñas plataformas de pilotaje con barrena de vuelo seccional para cimentaciones de losas con pilotes. Estas plataformas producen el mismo tipo de pilote que una plataforma 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 los tipos de terreno. [6] [7]
En las cimentaciones con pilares perforados, los pilares se pueden conectar con vigas de nivelación sobre las que se asienta la estructura, a veces con cargas de columnas pesadas 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 sobre los pilares para sostener la estructura. Este tipo de cimentación da como resultado un espacio de acceso debajo del edificio en el que se pueden colocar cables y conductos durante la construcción o la remodelación. [8]
En el método Jet Piling se utiliza agua a alta presión para colocar los pilotes. [9] El agua a alta presión corta el suelo con un chorro de agua a alta presión y permite colocar el pilote. [10] Una ventaja del método 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 diámetro pequeño, generalmente de menos de 300 mm de diámetro, que se perforan y se inyectan en el lugar. Por lo general, obtienen su capacidad de fricción superficial a lo largo de los lados del elemento, pero también pueden ser de apoyo en los extremos de la roca dura. Los micropilotes suelen estar fuertemente reforzados con acero que comprende más del 40% de su sección transversal. Se pueden utilizar como soporte estructural directo o como elementos de refuerzo del terreno. 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 y/o condiciones de terreno muy difíciles (adoquines y cantos rodados, escombros de construcción, karst, sensibilidad ambiental) o para modernizar estructuras existentes. Ocasionalmente, en terrenos difíciles, se utilizan para elementos de cimentación de nuevas construcciones. Las aplicaciones típicas incluyen proyectos de apuntalamiento , puentes , torres de transmisión y estabilización de taludes . [7] [13] [14] [15]
El uso de una plataforma de 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 pilotaje, [ cita requerida ] 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 pilotes. [ aclaración necesaria ]
La tablestaca es una forma de hinca de pilotes que utiliza láminas finas de acero entrelazadas para obtener una barrera continua en el suelo. La principal aplicación de las tablestacas es en muros de contención y ataguías erigidos para permitir que se realicen obras permanentes. Normalmente, se utilizan martillos vibratorios, grúas en T y perforadoras sobre orugas para colocar las tablestacas. [ cita requerida ]
Los pilotes soldados, también conocidos como pilotes de rey o muros de Berlín, se construyen con secciones de acero en H espaciadas entre sí aproximadamente 2 a 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 bridas de los pilotes en H.
Las presiones horizontales de la tierra se concentran en los pilotes soldados debido a su relativa rigidez en comparación con el revestimiento. El movimiento del suelo y el hundimiento se minimizan instalando el revestimiento inmediatamente después de la excavación para evitar la pérdida de suelo. [ cita requerida ] 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 en las que las paredes bien construidas no darán lugar a hundimientos, como en el caso de arcillas sobreconsolidadas, suelos por encima del nivel freático si tienen cierta cohesión y suelos con buen drenaje que se pueden deshidratar de manera eficaz, como las arenas. [ cita requerida ]
Los suelos inadecuados incluyen arcillas blandas y suelos de flujo débil 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 desagotarlo. [ cita requerida ]
Los pilotes helicoidales , también llamados pilares helicoidales y cimentaciones helicoidales , se han utilizado como cimentaciones desde mediados del siglo XIX en faros con pilotes helicoidales . [ cita requerida ] Los pilotes helicoidales son tubos de hierro galvanizado con aletas helicoidales que se introducen en el suelo mediante máquinas hasta la profundidad requerida. El tornillo distribuye la carga al suelo y se dimensiona en consecuencia.
Los pilotes de succión se utilizan bajo el agua para asegurar las plataformas flotantes. Los pilotes tubulares se hincan en el fondo marino (o, más comúnmente, se dejan caer unos metros en un fondo marino blando) y luego una bomba succiona el agua en la parte superior del tubo, tirando del pilote aún más hacia abajo.
Las proporciones del pilote (diámetro y 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 proporcionan una capacidad de retención pobre, 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, lo que causaría un flujo 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 lechos marinos de grava. [ cita requerida ]
En latitudes altas donde el suelo está continuamente congelado , los pilotes congelados se utilizan como método principal de cimentación estructural.
Los pilotes congelados obtienen su resistencia de la unión del suelo congelado que los rodea con la superficie del pilote. [ cita requerida ]
Los cimientos de pilotes de congelación por congelación son particularmente sensibles en condiciones que provocan el derretimiento del permafrost. Si un edificio se construye de manera incorrecta, puede derretirse el suelo que se encuentra debajo, lo que provocaría una falla en el sistema de cimientos. [ cita requerida ]
Las columnas de piedra vibrada son una técnica de mejora del suelo en la que se colocan columnas de agregado grueso en suelos con drenaje deficiente o capacidad de carga para mejorar los suelos. [ cita requerida ]
Los pilotes hospitalarios (también conocidos como pilones de horca) son específicos de las estructuras marinas y se construyen para brindar soporte temporal a los componentes de las estructuras marinas durante las obras de remodelación. Por ejemplo, al retirar un pontón de río, la parte frontal se unirá al pilote hospitalario para sostenerlo. Son pilotes normales, generalmente con una cadena o un gancho de sujeción. [ cita requerida ]
Los muros con pilotes pueden ser hincados o perforados. Ofrecen ventajas especiales cuando el espacio de trabajo disponible lo exige y la excavación a cielo abierto no es factible. Ambos métodos ofrecen un medio técnicamente eficaz y rentable de retener los lados de las excavaciones en masa, temporal o permanente, incluso en estratos con agua. Cuando se utilizan en obras permanentes, estos muros pueden diseñarse para resistir cargas verticales además de la carga lateral del suelo de retención. La construcción de ambos métodos es la misma que la de los pilotes de cimentación. Los muros contiguos se construyen con pequeños espacios entre los pilotes adyacentes. El espaciamiento de los pilotes puede variarse para proporcionar una rigidez a la flexión adecuada.
Los muros de pilotes secantes se construyen de tal manera que se deje espacio entre los pilotes "hembra" alternos para la posterior construcción de los pilotes "macho". [ Aclaración necesaria ] La construcción de pilotes "macho" implica perforar el hormigón en el orificio de los pilotes "hembra" para colocar los pilotes "macho" entre ellos. El pilote macho es aquel en el que se instalan las jaulas de refuerzo de acero, aunque en algunos casos los pilotes hembra también se refuerzan. [ Cita requerida ]
Los muros con pilotes secantes pueden ser duros/duros verdaderos, duros/intermedios (firmes) o duros/blandos, según los requisitos de diseño. Duro se refiere al hormigón estructural y firme o blando es generalmente una mezcla de lechada más débil que contiene bentonita. [ cita requerida ] Todos los tipos de muros se pueden construir como ménsulas independientes , o se pueden apuntalar si el espacio y el diseño de la subestructura lo permiten. Cuando los acuerdos de muros divisorios lo permiten, se pueden utilizar anclajes de tierra 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 se derrumbaría debido a la presión hidráulica en el suelo circundante no se derrumba ya que el lodo equilibra la presión hidráulica.
Se trata esencialmente de variaciones de refuerzos in situ en forma de pilotes (como los mencionados anteriormente), bloques o volúmenes mayores.
Se mezclan cemento, cal viva, cenizas volantes, lodos y otros aglutinantes (a veces llamados estabilizadores) con el suelo para aumentar su capacidad portante. El resultado no es tan sólido como el hormigón, pero debe considerarse como una mejora de la capacidad portante del suelo original.
La técnica se aplica con mayor frecuencia en arcillas o suelos orgánicos como la turba . La mezcla se puede realizar bombeando el aglutinante en el suelo mientras se mezcla con un dispositivo normalmente montado en una excavadora o excavando las masas, mezclándolas por separado con los aglutinantes y volviéndolas a llenar en el área deseada. La técnica también se puede utilizar en masas ligeramente contaminadas como un medio para unir contaminantes, en lugar de excavarlas y transportarlas a vertederos o procesarlas.
Como su nombre lo indica, las pilas de madera están hechas 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 los de hormigón o acero. En comparación con otros tipos de pilotes (de acero u hormigón), y dependiendo de la fuente o el tipo de madera, los pilotes de madera pueden no ser adecuados para cargas más pesadas.
Una consideración importante con respecto a las pilas de madera es que deben protegerse de la putrefacción por encima del nivel del agua subterránea . La madera durará mucho tiempo por debajo del nivel del agua subterránea. Para que la madera se pudra, se necesitan dos elementos: agua y oxígeno. Por 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 del agua subterránea. En 1648, el Palacio Real de Ámsterdam se construyó sobre 13.659 pilas de madera que todavía sobreviven hoy en día, ya que estaban por debajo del nivel del agua subterránea. La madera que se va a utilizar por encima del nivel freático se puede proteger de la descomposición y los insectos mediante numerosas formas de conservación de la madera utilizando el tratamiento a presión ( cuaternario de cobre alcalino (ACQ), arseniato de cobre cromado (CCA), creosota , etc.).
La unión de pilotes de madera es todavía bastante habitual y es el material de pilotaje más fácil de unir. El método habitual para realizar la unión es hincar primero el pilote principal, clavando un tubo de acero (normalmente de 60 a 100 cm de largo, con un diámetro interior no inferior al diámetro mínimo de la punta) hasta la mitad de su longitud en el extremo del pilote principal. A continuación, el pilote secundario se introduce simplemente en el otro extremo del tubo y se continúa con la hincada. El tubo de acero está simplemente ahí para garantizar que las dos piezas se sigan durante la hincada. Si se requiere capacidad de elevación, la unión puede incorporar pernos, tirafondos, clavos o similares para darle la capacidad necesaria.
Se puede utilizar hierro fundido para pilotes. Estos pueden ser dúctiles . [ cita requerida ]
Los pilotes tubulares son un tipo de cimentación sobre pilotes de acero hincados y son un buen candidato para pilotes inclinados ( inclinados ).
Los pilotes tubulares se pueden hincar con el extremo abierto o cerrado. Cuando se hincan con el extremo abierto, se permite que la tierra ingrese al fondo del tubo o caño. Si se requiere un tubo vacío, se puede utilizar un chorro de agua o una barrena para retirar la tierra del interior después de hincarlos. Los pilotes tubulares con el extremo cerrado se construyen cubriendo el fondo del pilote con una placa de acero o una zapata de acero fundido.
En algunos casos, los pilotes tubulares se rellenan con hormigón para proporcionar una capacidad de momento adicional o resistencia a la corrosión. En el Reino Unido, esto generalmente no se hace para reducir el coste. [ cita requerida ] En estos casos, se proporciona protección contra la corrosión permitiendo un espesor de sacrificio de acero o adoptando un grado de acero más alto. Si un pilote tubular relleno de hormigón se corroe, la mayor parte de la capacidad de carga del pilote permanecerá intacta debido al hormigón, mientras que se perderá en un pilote tubular vacío. La capacidad estructural de los pilotes tubulares se calcula principalmente en función de la resistencia del acero y la resistencia del hormigón (si se rellena). Se hace una concesión para la corrosión dependiendo de las condiciones del sitio y los códigos de construcción locales. Los pilotes tubulares de acero pueden ser de acero nuevo fabricado específicamente para la industria de pilotaje o de revestimiento tubular de acero recuperado previamente utilizado para otros fines, como la exploración de petróleo y gas.
Los pilotes en H son vigas estructurales que se hincan en el suelo para su aplicación en cimentaciones profundas. Se pueden cortar o unir fácilmente mediante soldadura o empalmadores mecánicos. Si el pilote se hinca en un suelo con un valor de pH bajo , existe el riesgo de corrosión; se puede aplicar una capa de epoxi de alquitrán de hulla o protección catódica para ralentizar o eliminar el proceso de corrosión. Es habitual permitir una cierta cantidad de corrosión en el diseño simplemente sobredimensionando el área de la sección transversal del pilote de acero. De esta manera, el proceso de corrosión se puede prolongar hasta 50 años. [ cita requerida ]
Los pilotes de hormigón suelen fabricarse con refuerzo de acero y tendones de pretensado para obtener la resistencia a la tracción necesaria, sobrevivir a la manipulación y al hincado y proporcionar suficiente resistencia a la flexión.
Los pilotes largos pueden ser difíciles de manipular y transportar. Las juntas de pilotes se pueden utilizar para unir dos o más pilotes cortos y formar un solo pilote largo. Las juntas de pilotes se pueden utilizar tanto con pilotes de hormigón pretensado como prefabricados.
Un "pilote compuesto" es un pilote hecho de elementos de acero y hormigón que se unen entre sí, de extremo a extremo, para formar un único pilote. Es una combinación de diferentes materiales o materiales de diferentes formas, como tuberías y vigas en H o acero y hormigón.
Maquinaria de construcción utilizada para hincar pilotes en el suelo: [16]
Maquinaria de construcción utilizada para construir pilotes de reemplazo: [16]
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