Cimentaciones profundas

CIMENTACIONES

PROFUNDAS. Ingeniera geotcnica.

DESCRIPCIN BREVE En el documento de tratar de tipos de cimentaciones

profundas, as como mtodos, aplicaciones y nuevas

tendencias en la Ciudad de Mxico y en el mundo.

Edgar Ricardo Rojas Martnez 209300378

Edgar Ricardo Rojas Martnez 209300378 UAM-Azcapotzalco.

1 26 de noviembre de 2014

1.- Introduccin.

A mediados de los 1960s, la industria de las cimentaciones profundas pareca ser simple:

la eleccin para una cimentacin profunda estaba entre pilotes de madera, de acero H o

tubular, y de concreto precolado. Los pilotes se hincaban con martillos de cada libre, de

aire, vapor o diesel. La capacidad de carga se determinaba con algn tipo de frmula

dinmica y se confirmaba con pruebas de carga esttica.

Existan diversos tipos de pilas coladas en sitio y cajones; algunos estn en uso todava,

con mtodos y equipos mejorados.

La innovacin en la construccin de cimentaciones profundas en Mxico parece

importarse de Europa: martillos diesel e hidrulicos, vibohincadores, perforadoras y

diversas tcnicas de perforacin. Los constructores que usan tecnologa moderna son

ingenieros mexicanos que usan tecnologa importada o compaas extranjeras que radican

en el pas.

Como una muestra del proceso de cambio que se vive en el mundo, en este trabajo se

presentan algunas ideas que se han empezado a utilizar en otros pases; inclusive, algunas

han empezado a llegar a Mxico.

Se trata en forma descriptiva los siguientes temas: incorporacin de nuevos materiales,

aplicaciones de procedimientos conocidos con enfoque diferente (resultando en un

proceso o producto innovador), equipos de construccin novedosos, control de calidad, y

requerimientos ambientales.

Finalmente, se dan algunos comentarios, con el propsito de incentivar el ingenio y la

imaginacin caracterstica de los profesionales mexicanos involucrados en la industria de

las cimentaciones profundas.



2.- Antecedentes histricos.

Chichimecas provenientes del norte de la

frontera mesoamericana fundaron la ciudad de

Mxico Tenochtitlan en 1325, asentndose en

sitios ms bien inhspitos de la Cuenca de

Mxico. Los pobladores que ocupaban los lagos

de Zumpango y Xaltocan por el norte, el de

Texcoco-Tenochtitlan en la porcin central

donde se ubicara el centro de la ciudad, y los

lagos de Xochimilco y Chalco al sur impidieron que se asentaran en sus riberas; no

tuvieron ms remedio que ocupar la zona lacustre pantanosa. Se reconoce que

ancestralmente vivan en las riberas de un lago llamado Aztln, por lo que ese medio no

les fue ajeno, de tal forma que ah se establecieron y florecieron, consiguiendo un gran

desarrollo artstico, tcnico y blico ya como cultura Mexica. En pocas dcadas

incorporaron conocimientos de otros pueblos del altiplano y construyeron un gran

imperio, destacando las colosales construcciones trreas como el dique de Nezahualcyotl

con 16 km de longitud, plataformas artificiales y el complejo ceremonial de Tenochtitlan

en el que sobresala el Templo Mayor.

Los antiguos mexicanos reconocieron la problemtica de cimentar sus obras en la antigua

Tenochtitlan. Como ejemplo, en la construccin del Templo Mayor con 36 m de altura y

ubicado en el corazn actual de la ciudad capital, se pusieron en prctica procedimientos y

conceptos geotcnicos que tienen vigencia en la

actualidad, como son el mejoramiento masivo del

terreno mediante el hincado de troncos, la construccin

de un relleno para precargar el subsuelo y la

construccin por etapas seis en esta pirmide-, el uso

de estacones para transferir la carga al subsuelo, y el

empleo de tezontle como relleno ligero con el objeto de

reducir el peso de la pirmide. Salvando las dificultades

que ofreca el subsuelo, esta obra magnfica de la que

todava tenemos vestigios, se conserv estable aunque

con asentamientos tan grandes como 6.5 m, hasta que fue arrasada por los

conquistadores para edificar sobre ellas diversas construcciones coloniales. Precisamente

al desarrollarse las edificaciones del gobierno y los templos religiosos de la Colonia,

muchas de ellas sobre las ruinas mismas de las construcciones mexicas, se genera en el

subsuelo una historia compleja de cargas y descargas as como zonas precomprimidas, lo

que da como resultado la variacin inducida de las propiedades mecnicas del subsuelo, y

como consecuencia la aparicin de asentamientos diferenciales en esas y en las actuales



construcciones del Centro Histrico de la ciudad. Muchos de los actuales problemas

geotcnicos que enfrentamos en la ciudad de Mxico pudieron haberse evitado, si

hubiese prevalecido la idea de quienes opinaban que no deba edificarse la capital de la

Nueva Espaa sobre las ruinas de la antigua Tenochtitlan. El pensamiento y voluntad de

Hernn Corts se impuso.

Las construcciones dentro de la Traza Colonial, que comprende al Centro actual de la

capital, sufrieron las consecuencias de su desplante sobre los depsitos lacustres blandos.

Al Portal de Agustinos situado en la vieja calle de Tlapaleros, lo que hoy corresponde a la

avenida 16 de Septiembre en el Centro, se le describe con muchos de sus arcos

hundidos por la insegura inestabilidad del subsuelo lodoso que no soporta grandes pesos,

mayormente y con ms razn ste, que sustentaba dos pisos altos, de elevadas

techumbres. Esta descripcin explica claramente el efecto y la causa primordial al

sobrecargar las cimentaciones superficiales en la Zona del Lago.

3.- El suelo como elemento portante de las cimentaciones.

Las cargas que transmite la cimentacin a las capas del terreno causan tensiones y por

tanto, deformaciones en la capa del terreno soporte. Como en todos los materiales, la

deformacin depende de la tensin y de las propiedades del terreno soporte. Estas

deformaciones tienen lugar siempre y su suma produce

asientos de las superficies de contacto entre la

cimentacin y el terreno.

La conducta del terreno bajo tensin est afectada por

su densidad y por las proporciones relativas de agua y

aire que llenan sus huecos. Estas propiedades varan

con el tiempo y dependen en cierto modo de otros

muchos factores.

* Variacin del volumen de huecos como consecuencia

de la compactacin del terreno.

* Variacin del volumen de huecos como consecuencia del desplazamiento de las

partculas.

* Variacin del volumen de huecos como consecuencia de la deformacin de las

partculas del terreno.

Los cimientos constituyen los subsistemas de cualquier edificacin que transmiten

directamente las cargas de esta hacia el suelo o terreno; su funcin es distribuir las cargas

del edificio, dispersndolas en el suelo adyacente, de modo que ste y los materiales que

los sostienen tengan suficiente fuerza y rigidez para soportarlas sin sufrir deformaciones

excesivas.



Debido a las interacciones de suelos y cimientos, las caractersticas de los suelo o terrenos

sobre los que se construye influyen de modo determinante en la seleccin del tipo y

tamao de los cimientos usados; estos ltimos a su vez, afectan significativamente el

diseo de la superestructura, el tiempo de construccin del edificio y, en consecuencia, los

costos de la obra.

4.- Tendencias en la construccin de cimentaciones profundas.

Nuevos materiales

Pilotes de fibra de vidrio

Se trata de pilotes tubulares compuestos, fabricados en

una coraza cilndrica de materiales reforzados con fibra

de vidrio de alta resistencia. Opcionalmente, la superficie

exterior de la coraza puede cubrirse con acrlico

vulcanizado, que provee una proteccin adicional contra

la abrasin, rayos ultravioleta y qumicos. La superficie

interior est texturizada para formar buena adherencia

con el material de relleno, generalmente concreto, que

se coloca despus del hincado. El pilote resultante tiene

aproximadamente la misma rigidez que un pilote de madera, pero es 4 veces ms

resistente y absorbe 15 veces ms energa, con la durabilidad del plstico.

Se producen en dimetros entre 18 y 72 pulgadas.

Su uso ms comn es para estructuras marinas que auxilian el atraque de embarcaciones,

como duques de alba, aunque tambin son utilizados en muelles. Adems, existe gran

variedad de cabezales de fibra de vidrio, que complementan estos pilotes.

Tablestaca SuperLoc

SuperLoc es una tablestaca de polmero reforzado con fibras (FRP, por sus siglas en ingls),

fabricado por pultrusin, que es un proceso de manufactura continuo, que produce

perfiles de polmero reforzado con fibra, de extraordinaria resistencia y resilencia,

diseada para proveer un desempeo a largo plazo en ambientes corrosivos.

El material resiste impactos, deformacin a largo plazo (creep), rayos ultravioleta e

intemperismo mejor que las tablestacas de PVC. Su instalacin es similar a las tablestacas

metlicas.

Aplicaciones con enfoque diferente.

Pilotes centrifugados



Denominados PHC (abreviatura en ingls de pre- tensioned spun high strength concrete

pile), que son pilotes presforzados y centrifugados.

El proceso de centrifugado se realiza a una velocidad angular constante, entre 500 y 660

rpm, con una ligera pendiente, para eliminar por los extremos el exceso de agua y finos.

Debido a la alta velocidad angular de la cimbra, el concreto en el interior est sometido a

una fuerza centrfuga que distribuye uniformemente el concreto a lo largo de la cara

interna del molde.

El proceso de centrifugado ordena los agregados de acuerdo con su densidad; de esta

manera, la grava y la arena tienden a colocarse en la parte externa del molde, mientras

que los finos y el agua, se ubican en la cara interna del molde, Por este motivo, en este

proceso se debe controlar el tiempo de rotacin, para evitar la segregacin del concreto.

Pilotes Soilex

El pilote soilex utiliza una bolsa expandible, en el fondo del pilote, que funciona como una

ampliacin de la base.

La bolsa se desarroll en Suecia en los 1980s y consiste de un paquete de lmina

metlica, que puede expanderse despus de instalar el pilote, inyectando concreto o

mortero. De esta manera, se forma un bulbo, 5 a 10 veces ms grande que el dimetro

original. Dado que es capaz de tomar esfuerzos de compresin y tensin, se puede utilizar

como pilote de punta, o como ancla.



La instalacin puede llevarse a cabo con mtodos convencionales perforado,

vibrohincado, hincado a golpes o con gatos.

Juntas mecnicas entre tramos de pilotes

En Mxico, la unin entre tramos de pilotes de concreto precolado, se realiza mediante

placas de acero incorporadas a los extremos, y soldadura de arco. Este procedimiento es

lento, repercutiendo en la eficiencia general del conjunto de hincado.

Existen numerosos sistemas para resolver este problema, dependiendo del trabajo

estructural que se requiera atender, todas ellas mediante sistemas mecnicos que agilizan

la operacin.

Anlisis de hincado con ecuacin de onda

Un mtodo ms racional, es el anlisis numrico con ecuacin de onda WEAP (Wave

Equation Anlisis Program, por sus siglas en ingls), que simula el hincado de pilotes, con

lo que es posible calcular el comportamiento probable del equipo (seleccionando el ms

adecuado), calcular los esfuerzos desarrollados durante el hincado, calcular la capacidad

de carga-asentamiento del pilote y corroborar los ensayes dinmicos, en su caso. Existen

diversos programas de cmputo en el mercado, algunos de acceso libre en la web.



5.- Perspectiva actual en la ciudad de Mxico.

Pilotes y pilas de punta

En la ltima dcada, se han construido hoteles y edificios multifuncionales que albergan

centros comerciales y deportivos, departamentos unifamiliares, oficinas y centros de

negocios. Su construccin conlleva un elevado nmero de entrepisos as como

excavaciones profundas para alojar stanos de estacionamientos.

Las solicitaciones ssmicas en la

cimentacin bajo tales condiciones

requieren la construccin de

cimentaciones profundas con pilas

que alcanzan cada vez con mayor

frecuencia los depsitos profundos de

la Cuenca, empotrndose en stos

algunos metros; con ello el diseador

busca obtener suficiente resistencia del trabajo por fuste para tomar las tensiones

generadas durante los eventos ssmicos.

Las pilas que se construyen para estos proyectos suelen ser de dimetros generosos,

desde 1.2 m hasta 1.5 m o ms; incluso, se usan pilas oblongas cuando el diseo requiere

gran capacidad portante o cuando el sembrado de las pilas y las restricciones del rea de

construccin obligan a juntar algunas de stas.

Por otra parte, los diseadores encuentran en las pilas de grandes dimetros ventajas para

resistir cargas laterales ante eventos ssmicos, sobre todo en puentes carreteros y

vehiculares, debido al momento de inercia grande de su seccin (ONeill, 1998).

Pilotes de control El mal

comportamiento de los

mecanismos de control en la

cabeza de los pilotes (sismo

1985), los esfuerzos por

solucionar este problema

estuvieron enfocados en dos

direcciones (Santoyo y Segovia,

1995): a) sustituir las celdas

deformables por materiales con

leyes de deformacin ms



definidas o sistemas mecnicos de ajuste; y b) sustitucin del puente de reaccin y

de la celda deformable, por mecanismos que permitan soportar tensiones y

momentos de volteo.

Micropilotes

Como una respuesta a la problemtica en recimentaciones, se ha difundido el uso de

micropilotes para recimentar estructuras y monumentos, e inclusive para edificaciones

nuevas. Se han adoptado diferentes tcnicas, principalmente europeas, con adaptaciones

a las condiciones locales de la ciudad de Mxico (Santoyo y Segovia, 1995).

Fundamentalmente trabajan como pilotes de friccin, aunque en ciertos casos se han

utilizado de punta. Tambin se emplean como anclas, inclusiones, o con el concepto de

soil nailing.

Pilotes entrelazados

La aplicacin de pilotes entrelazados se ha renovado, con diferentes enfoques de diseo

(Menache, 2002). Estuvieron prcticamente en desuso durante poco ms de una dcada,

pero han vuelto a la prctica de la ingeniera de cimentaciones desde mediados de la

dcada de 1990.

Para su aplicacin, han ayudado nuevas herramientas de clculo, as como una mejor

comprensin de la transmisin de carga del grupo, utilizando el enfoque de anlisis de

inclusiones.

Muros miln

Una alternativa constructiva a las

pilas para tensiones, es la

construccin de muros miln pila;

en efecto, las excavaciones para

alojar los stanos suelen hacerse

con muro miln anclado o

apuntalado, sea ste estructural o

de acompaamiento, donde

algunos de sus tableros se

profundizan ms que el resto del

permetro ademado, con el objeto

de alcanzar depsitos resistentes,

formando as muros-pila que

trabajan tanto a tensin como a compresin. Si bien este sistema tiene la ven taja de que

elimina el detalle de la conexin estructural de las pilas perimetrales con el cajn y losa de

cimentacin, debe decirse que la calidad de la construccin de los muros colados in situ a

grandes profundidades requiere un gran control en obra. En nuestra ciudad hay pocas



experiencias al respecto (por ejemplo, Torre Mayor); en la ciudad de Puebla se han

cimentado tres torres de ms de 100 m de altura con esta solucin (Paniagua, 2003).

Pilotes en desuso

Pilotes seccionados. Para solucionar el problema de falta de continuidad estructural, se

propusieron diversos mecanismos para la unin de los segmentos, el ms popular las

placas de acero soldadas. Sin embargo, estos pilotes han sido prcticamente sustituidos

por los micropilotes, en sus diversas modalidades constructivas.

Pilotes Tensa. El uso de pilotes presforzados tipo Tensa ha cado en desuso; se siguen

utilizado pilotes presforzados de otro tipo, tanto en la ciudad de Mxico, como en

proyectos costeros (Paniagua 1994, 2002).

6.- Mtodos para control de suelos.

Mtodos Dinmicos.

Vibrocompactacin. El mtodo consiste en la insercin de un vibrador de fondo, que

genera vibraciones horizontales; una vez densificado el suelo, se rellena el vaco generado

con arena, retirando el vibrador simultneamente. La compactacin se debe a la accin

del vibrador, que usualmente es acompaado con agua a presin, la cual reduce

temporalmente las fuerzas intergranulares entre las partculas; las vibraciones generan

exceso de presin de poro hasta que se lica el suelo; entonces, la disipacin de presin

de poro conduce a un arreglo ms compacto del suelo.

La eficiencia del mejoramiento depende del tipo de suelo, espaciamiento de los puntos de

vibrado y el tiempo de vibrado en cada punto. Generalmente, el espaciamiento est entre

1.80 y 3.50 m, con arreglos triangulares o en cuadrcula. Una vez que el vibrador alcanza la

profundidad de diseo, el tratamiento se realiza por intervalos de profundidad. Durante la

compactacin, se rellena con una arena limpia desde la superficie para compensar la

reduccin del volumen del suelo debido al proceso de densificacin; con esto se mantiene

la elevacin original. Este mtodo se utiliz con xito en el Puerto pesquero en Alvarado,

Veracruz, en 1963.

Compactacin a profundidad con probetas. Consiste en la compactacin producida por

vibraciones verticales generadas por vibradores en la superficie, conectados a probetas

metlicas que se introducen en el suelo. Estas vibraciones provocan en el suelo

sumergido, y que se encuentra alrededor de estos elementos, un aumento en la presin

de poro hasta que se licua de una manera controlada; al disiparse este exceso de presin

de poro, el suelo toma un arreglo ms compacto en forma cilndrica, el cual debe

traslaparse para obtener un suelo homogneamente compactado.

Existen varias geometras y diseos de probetas; en Mxico se han utilizado tubos

circulares (Smano y Schmitter, 2004), o en forma de Y (Avelar, 2004). Los principales



factores que influyen en este mtodo son el espaciamiento, el tiempo de vibrado y el

manejo de la probeta (insercin, suspensin y extraccin). No existe un procedimiento

racional de diseo para la seleccin de estos parmetros, por lo que se debe disear con

base en datos recabados en la experiencia o con reas de prueba.

Compactacin dinmica. Este mtodo consiste en dejar caer una masa repetidamente

desde una cierta altura. La reaccin del suelo ante la compactacin dinmica depende del

tipo de suelo y de la energa que le sea impartida por los impactos que tienen un arreglo

predeterminado. La energa es funcin de la masa, altura de cada, espaciamiento de la

cuadrcula y nmero de cadas en cada punto. Las masas son usualmente bloques de

concreto, bloques de acero o una serie de placas de acero sujetas entre s.

Las masas se dejan caer de 2 a 10 veces en el mismo lugar, siguiendo un patrn de

cuadrcula con espaciamientos entre 1.80 y 5 m. El procedimiento normalmente se hace

con ms de una pasada o serie de apisonamientos, rellenando los crteres que se forman

entre pasadas. Se realiz mejoramiento masivo de suelos con esta tcnica en la

Modernizacin de la Refinera Lzaro Crdenas, en la ciudad de Minatitln, Veracruz.

Mtodos con refuerzo de suelos

Vibrosustitucin. La vibrosustitucin constituye un mtodo de mejora de terreno,

mediante la rigidizacin que produce la introduccin de columnas de grava en los orificios

creados por un vibrador de fondo.

La grava proporciona una mejor transmisin de la fuerza vibratoria al suelo circundante, y

por tanto incrementa el efecto de densificacin. Otros beneficios son el control de la

presin de poro por medio de la columna de grava, que acta como dren, y la reduccin

de esfuerzos cortantes cclicos en el suelo, debido a una concentracin de esfuerzos en la

columna, ya que posee mayor rigidez que el suelo que la rodea, adems de tener un

efecto de deformacin limitada.

Los dos mtodos de instalacin ms comunes son: vibrosustitucin por va hmeda y

vibrosustitucin por va seca. A ste ltimo tambin se le llama vibrodesplazamiento.

El mtodo de vibrosustitucin por va seca, se utiliza para mejorar suelos finos blandos,

creando perforaciones mediante el desplazamiento del terreno producido por las fuerzas

horizontales impartidas por el vibrador, ayudado por aire comprimido en cada punto del

tratamiento.

Los procesos de vibrosustitucin va hmeda y vibrodesplazamiento implican la realizacin

de la perforacin por medio de agua y aire a presin, respectivamente, hasta una

profundidad especfica, alimentando la perforacin con grava, a partir de esta

profundidad se empieza a introducir y extraer el vibrador con una vibracin de 30 Hz, por



lo que la grava se empieza a densificar y adherir en el suelo circundante. En Mxico se ha

utilizado con xito en Manzanillo.

7.- Torre Mayor CDMX

El diseo ssmico propuesto que se utiliz en La Torre Mayor ofrece un innovador concepto de absorcin de la energa ssmica para edificios altos. Para obtener una informacin realista con respecto a la sismicidad y la respuesta de la misma, se llev a cabo un anlisis de interaccin con la estructura del suelo y un anlisis del espectro especfico del sitio. El edificio est equipado con dispositivos disipadores de energa en un sistema de amortiguadores altamente eficientes para reducir las fuerzas ssmicas en la estructura y sus consiguientes movimientos.

La cimentacin para la Torre Mayor es una combinacin de sistemas conformado por pilotes de concreto y losas. El edificio est basado en pilas de hasta 1.50 m de dimetro llegando al estrato duro o depsitos profundos hasta 40 m, existentes debajo de la capa de depsitos de suelo suaves tpicamente encontrados en Ciudad de Mxico. El sistema de losa de cimentacin de concreto reforzado conecta todas las pilas y al muro de cimentacin de 800 mm. de espesor en el nivel ms bajo de los stanos.

El diseo incorpora un grado de redundancia para asegurar la accin uniforme bajo las ms severas fuerzas ssmicas. En teora, el edificio puede soportar un sismo de 8.5 grados en la escala de Richter, una fuerza que podra derrumbar cualquier otro edificio del tamao de Torre Mayor.

Torre Mayor es el primer edificio en Latinoamrica en contar desde su diseo con enormes amortiguadores ssmicos.

La seguridad estructural de Torre Mayor ha sido calculada para exceder los requerimientos de los Reglamentos de



Construcciones de la Ciudad de Mxico y California, que son los ms rigurosos del mundo y proporcionar al mximo de seguridad y confort a sus ocupantes. La estructura de acero y concreto cuenta con 98 amortiguadores ssmicos que reducen al mnimo su desplazamiento durante un sismo, amortiguando y disipando una porcin importante de la energa que la torre absorbe.

8.- Bibliografa

Tendencias en la construccin de Cimentaciones profundas Walter I. Paniagua Z., Pilotec, S.A. de C.V. Alberto Jaime Paredes, Divisin de Ingeniera Civil, Topogrfica y Geodesia, UNAM

PERSPECTIVA ACTUAL DE LAS CIMENTACIONES PROFUNDAS Walter Ivan Paniagua Zavala, Jos Luis Rangel Nez y Enrique Ibarra Razo.

Comportamiento y Diseo de Cimentaciones Profundas en la Ciudad de Mxico Especialidad: ingeniera civil Dr. manuel jess mendoza lpez Septiembre 20, 2007 Mxico, D. F.

LA MECNICA DE SUELOS Y LAS CIMENTACIONES EN LAS CONSTRUCCIONES

INDUSTRIALES

Prof. Dr. Jorge A. Capote Abreu

Estructura Ssmica de la Torre Mayor

www.torremayor.com.mx/index.php/es/.../k2/.../214-losa-cimentacion

Cimentaciones profundas

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