U- N°4 III -PRECARGA DE PILOTES -2014

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL - FACULTAD REGIONAL CONCORDIA CTEDRA: CIMENTACIONES DOCENTE: Ing. Alejandro C. Garca Ao 2013 Pgina 1 de 8

PRECARGA DE PILOTES

En pilotes de gran dimetro en arena, la participacin de la punta en la carga total es muy baja, es decir en la resistencia total hay mucho ms colaboracin por fuste que por punta.

Esto se debe a que la deformacin necesaria para activar la mxima capacidad de carga por punta, es tan grande que resulta incompatible con el funcionamiento de una estructura (del orden del 20% de del pilote). Adems, es muy probable que la carga ltima por punta sea menor que la calculada mediante las frmulas de capacidad de carga, an alcanzado ese orden de magnitud de deformacin; debido a perturbaciones ocasionadas por la construccin del pilote.

En las arenas de compacidad media la capacidad de carga de los pilotes moldeados en sitio puede aumentarse apreciablemente mediante inyecciones de lechadas de cemento, a altas presiones.

La Argentina se encuentra entre los primeros pases que aplicaron la precarga en forma extensiva para las fundaciones de puentes, Bolognesi-Moretto (1973). En esa oportunidad se efectuaron ensayos de carga estticos en pilotes, previamente y posteriormente a lo que se denomin precarga, por haberse efectuada las inyecciones desde la punta, que son objeto de estudio y de interpretacin de resultados.

Internacionalmente hay una importante bibliografa con respecto a diferentes fundaciones en las que se ha empleado. En EE. UU., se ha despertado recientemente un inters creciente por esta posibilidad de mejora mediante post-grouted drilled shafts (pilotes perforados post-inyectados).

I. Definicin del mtodo.

Es la inyeccin de lechada de cemento a alta presin en la punta de un pilote perforado, de gran dimetro, para provocar en el mismo un efecto similar al hincado; es decir un gran aprisionamiento por fuste y por punta.

Se procede a precargar la base o punta del pilote utilizando la friccin lateral y su peso como reaccin.

La precarga tambin, se fundamenta en la estabilizacin del estrato de suelo de fundacin en la periferia del bulbo del pilote, mediante la inyeccin de lechada de cemento a alta presin, mejorndose de este modo, las caractersticas del suelo.

El procedimiento de precarga tiene por objeto compatibilizar la capacidad de carga que se desarrolla por el fuste y por la base de los pilotes sin desplazamiento lateral (o pre-excavados), bajo las cargas de servicio.

Es un sistema aprobado y adoptado para provocar artificialmente una notable mejora en la punta de apoyo del pilote y toda la zona donde ste descansa. Ya que la excavacin provoca en las arenas una profunda alteracin del fuste y de la punta; hasta profundidades mayores de 1,00 m. en la punta y de un dimetro en los costados (Broms 1981).

II. Funciones de la precarga.

La inyeccin de precarga cumple simultneamente varios propsitos:

1. SANEAR: Por penetracin del cemento en la masa del suelo, se lo refuerza y repara las posibles alteraciones que se hubiesen producido en el suelo del fondo de la perforacin. Consolida fuertemente el pequeo depsito de material fino suelto que pueda quedar en la base por defectos de limpieza.


2. CONSOLIDAR: Por precompresin y consolidacin produce deformaciones plsticas no recuperables en el suelo debajo de la punta permitiendo que se disipen las presiones neutras; fractura hidrulicamente el suelo, abriendo grietas o venas y llenando el volumen resultante con cemento.

3. PRECARGAR: Por compresin con drenaje se logra una fuerza hacia arriba como para pretensarlo o reemplazar la energa de inca; activando tambin, el desarrollo de la resistencia por punta (antes de agotar la resistencia friccional). De modo que, en servicio provee el asentamiento necesario del pilote para poner en actividad la punta.

4. ESTABILIZAR: Los suelos as tratados acusan un incremento de su mdulo de elasticidad y reduccin de su compresibilidad (accesoriamente tambin se logra disminuir el peligro potencial de la licuefaccin bajo impacto o cargas ssmicas, y limitar el proceso de expansin-retraccin en suelos arcillosos).

5. ENSAYAR: La presin aplicada resulta un ensayo de carga para el pilote. Al mismo tiempo durante la precarga se efecta una prueba de la magnitud de la friccin lateral desarrollada a lo largo del fuste.

En pilotes pre-excavados la friccin lateral demanda un asiento del orden de 1/3 a pul. ( 1cm) para desarrollarse completamente; en tanto que la resistencia por punta requiere un asentamiento que es funcin del dimetro, del orden del 5% al 10% de en arcillas hasta del 25 % de en algunas arenas y se desarrolla lentamente en pilotes de gran dimetro; la precarga acelera la participacin de la punta, al reducir la deformalidad del suelo.

Es de esperar que un pilote precargado reduzca su asiento a menos de de su asiento sin precarga, para las cargas de servicio.

Cuando la base o punta del pilote descansa en arenas densas u otro suelo permeable, la permeabilidad del material posibilita su consolidacin inmediata y la precarga por precompresin adquiere su mxima eficacia.

En arcillas la precarga anula el hinchamiento del fondo y produce una pequea consolidacin inicial, cuya importancia depende de la naturaleza de la arcilla y de su grado de permeabilidad. La inyeccin a presin comprime y rellena las posibles fisuras que se hubieran producido en el fondo de apoyo de la base o punta.

Inyeccin Lateral:

La inyeccin tambin puede realizase lateralmente, a lo largo del fuste si los pilotes se ejecutan mediante encamisado (anillos de acero u hormign pre-moldeado donde se colocan tubos de inyeccin).

Se recurre a esta inyeccin dentro del espesor de friccin, que queda a cubierto de la socavacin.

Para ello se instalan en las paredes de la camisa o anillos del cilindro, tuberas que permiten inyectar lateralmente el contacto fuste suelo. Durante la instalacin del pilote esta caera puede utilizarse tambin para inyectar lodo bentnico a fin de lubricar las paredes y reducir la friccin lateral, facilitando el descenso de los anillos de hormign.

Ensayos de carga realizados en los puentes Chaco-Corrientes y Zrate-Brazo Largo, tienden a confirmar que la inyeccin de precarga de la base, no solo sirve para tratar las arenas de la punta, sino que tambin asciende a lo largo del permetro del pilote, mejorando su resistencia al fuste y pareciendo hacer innecesaria a la inyeccin lateral.


III. Inconvenientes de la metodologa.

1. Dificultosa inyeccin lateral; por ello se prefiere exclusivamente la inyeccin por celda de fondo. 2. Derrumbes laterales, necesidad de encamisado hasta profundidades importantes. 3. Posible sifonaje del fondo en arenas, o fisuracin en caso de arcillas. 4. Deben ejecutarse varias semanas despus de ejecutado el pilote, de modo que su fracaso implica

no solo la prdida de un importante elemento estructural (pilote profundo); sino tambin un retraso importante en el plazo de obra.

IV., Descripcin general de metodologa.

El mtodo a seguir busca la precompresin que se logra en la base de los pilotes instalados con zcalo en arena (o en arcilla compacta fisurada). Para ello, se procede a inyectar una mezcla cementicia a alta presin a travs caeras apropiadas y un canasto que contiene grava limpia de tamao comprendido entre 1 y 3.

Se basa fundamentalmente en poner en actividad el pilote, inyectado a presin, lechada de cemento generalmente estabilizada con bentonita, directamente a su punta; hasta alcanzar la presin de trabajo requerida.

Usualmente dicha presin oscila entre los 20 y 30 kg/cm2, segn el tipo de suelo y de pilote a precargar, aunque se han logrado presiones del orden de 50 e incluso 100 Kg/cm2, hasta agotar la capacidad de las bombas de inyeccin sin lograr levantar el pilote o que se produzca ascenso de lechada por el permetro del pilote (resurgencia por el fuste).

Cuando se ha producido la impregnacin de los vacos de la grava del canasto, la lechada de penetrabilidad nula en los materiales que subyacen a la punta, genera una accin de gato hidrulico transmitiendo al suelo la tensin de inyeccin mediante la mezcla cementicia. As el suelo subyacente sufre una densificacin rpida, acompaada por grietas o roturas horizontales y verticales, que se propagan en el terreno ante la imposibilidad de ser inyectado.

Este efecto de alta presin, debe mantenerse un determinado tiempo hasta que la mezcla haya fraguado, ayudada por el proceso de deshidratacin.

En escalones posteriores de carga se busca producir la fractura hidrulica de la inyeccin anterior, abriendo las fisuras, venas o canales preferenciales, por donde circula la nueva mezcla inyectada; que llena posibles vacos y acta como gatos hidrulicos pretensado la punta.

Se mejora as considerablemente el comportamiento de punta al eliminar las deformaciones iniciales, acelerando la participacin de la punta al disminuir la deformabilidad del suelo (proceso similar al post tesado).

V. Celda de precarga (por punta o fondo).

El canasto de precarga es utilizado generalmente, en pilotes de dimetro considerable con el objeto de asegurar la correcta confeccin del bulbo del pilote ( 80 cm).

El canasto cilndrico tendr que ser suficientemente rgido como para permitir su descenso hasta la base del pilote colgado de las caeras de inyeccin y de las armaduras del pilote.

El canasto deber rellenarse con grava gruesa limpia de tamao comprendido entre 1 y 3 y cubrirse superiormente con una plancha o tapa de neopreno o goma sinttica para evitar que se contamine con el hormign de relleno del pilote. Tendr en su parte superior dos niples suficientemente robustos como para roscar y suspender el canasto de las caeras de inyeccin y lavado (A) y (B).


En algunos casos se utiliza una doble tapa de chapa (de 6 mm. de epesor c/u) con una separacin entre ellas (de 25 mm.) y con una pancha de goma inferior adosada. La chapa de abajo esta perforada, segn el dimetro del pilote con unos 40 a 70 agujeros de = 8 mm.; y tiene debajo adherida al permetro de dicha chapa, a la lmina de caucho que la cubre con igual cantidad de agujeros, pero desplazados respecto a los anteriores, actuando como vlvulas anti-retorno.


Generalmente, las caeras de inyeccin de impulsin y retorno, son hierro galvanizado de dimetros entre 1 y 1 .

IV. Ejecucin de la precarga

Terminada la excavacin del pilote y limpiado el fondo de la misma, se baja el conjunto de precarga y las armaduras. Se hormigona el pilote (p.ej. con H-25), verificando que en todo momento, las caeras de inyeccin queden perfectamente verticales.

Transcurrido un tiempo mnimo de 21 das (72 horas despus de hormigonado segn la DVP de Santa Fe), se podr comenzar el proceso de precarga.

IV. Escalones de precarga Etapas de inyeccin.

Primeramente, se lavar el canasto con agua limpia, para ello, se conectar la bomba alternativamente a una de las caeras y se har circular agua a travs de todo el canasto (C) verificando que el agua de circulacin est clara; esta operacin debe durar no menos de 10 minutos. Con la lechada de inyeccin en el agitador preparada, debe llenarse el canasto con mezcla recirculando en el sentido (A)- (C)- (B) durante no menos de 5 minutos a los efectos de asegurar que la mezcla ha penetrado en los vacos de la grava.

La precarga se ejecuta por etapas y se comienza no antes de los 21 das de hormigonado; en escalones de carga; Ej. para pilotes de 2.000 ton de carga de servicio:

1) 0 15 kg/cm2. 2) 15 25 kg/cm2. 3) 25 30 kg/cm2. 4) 30 50 kg/cm2- Hasta peso propio ms friccin. 5) En algunos casos hasta mxima capacidad de bomba inyeccin.

Al finalizar cada etapa debe lavarse la caera y la celda. Luego de lavado, se retorna a las 12 horas. Cada etapa finaliza cuando:

o se mantiene la presin constante durante un perodo especificado (5 a 10 min.); o ingresa una cantidad prefijada de lechada (en general 1000 kg de cemento). o se produce reflujo lateral continuo de lechada; o la cabeza se levanta 2 cm.


- Primera etapa de precarga.

1. Con la esclusa de (B) cerrada, inyectar mezcla cementicia por (A) hasta lograr 10 a 15 Kg/cm2; manteniendo dicha presin durante 5 minutos.

2. Cerrar la llave de (A) para no permitir el reingreso de la mezcla. 3. Dejar la precompresin durante 5 minutos a 10 minutos. 4. Lavar el conjunto de precarga con agua limpia a presin.

- Segunda y siguientes etapas de precarga.

5. Se ejecutarn las mismas operaciones que en los puntos 1 a 3 pero logrando una presin de rechazo (de 25 a 35Kg/cm2 para la 2) y una precompresin de 5 minutos a 10 minutos.

6. Una vez terminada la operacin de precarga y despus de 1 hora podrn desarmarse las esclusas y cortar el sobrante de tubos de inyeccin y lavado.

Si en la primera etapa no se alcanza la presin de rechazo de 10 a 15 Kg/cm2 especificada, luego de media hora se procede a repetir las operaciones 1 a 4 hasta lograr esa presin. En caso de no alcanzar dicha presin, se dar por terminada la precarga despus de haber inyectado 1 ton de cemento (aprox. 2.000 litros de mezcla). Si efectivamente se obtiene dicha presin de rechazo, podr pasarse a la secuencia de los puntos 5 y 6.

La experiencia en nuestro pas muestra que, la presin aumenta lentamente en cada ciclo hasta los 40 a 60 Kg/cm2; pero luego aumenta rpidamente hasta alcanzar los 100 kg/cm2.

Resistencia por Fuste En Ensayos de precarga de pilotes perforados precargados sobre arenas del Ro Paran, los pilotes se levantan para resistencias del orden de 0,25 kg/cm2.

La punta debe penetrar al menos 2,5 en los estratos densos (o compactos).

V. Equipos y materiales.

El Contratista deber proveer al pie de las fundaciones, como mnimo los equipos siguientes:

una bomba de inyeccin a pistones con una capacidad (presin mxima de trabajo) de 50Kg/cm2 (a 100 Kg/cm2, tipo Puma).

un equipo mezclador agitador, capaz de entregar a la bomba un volumen continuo de lechada de 100 litros por minuto;

un juego de manmetros de 50Kg/cm2 de capacidad mxima con su correspondiente protector hidrulico;

provisin continua cemento para la mezcla (ms de una tonelada antes de empezar cada etapa de inyeccin) y de bentonita y/o aditivos fluidificantes-estabilizadores;

Provisin suficiente agua para elaborar la mezcla y lavado rpido de canasto y caeras de inyeccin;

Conjunto o canasto de precarga bajo los lineamientos adjuntos, con sus correspondientes caeras de impulsin y retorno de hierro galvanizado.

VI. Mezclas de inyeccin.

Se utilizan mezclas de inyeccin cemento agua con relaciones agua /material activo 0,9 a 0,6; estabilizadas mediante bentonita o algn aditivo qumico, que impida la rpida precipitacin del cemento; obturndose las caeras o bombas de inyeccin.


ANEXO

La profundidad los ros navegables sudamericanos y los lechos de suelos erosionables o muy blandos hasta estratos profundos (ms all de 20 m.), sumado a las grandes luces requeridas entre pilas; hacen mandatorio fundaciones sobre pilotes de gran dimetro. As, el avance en la construccin de grandes pilotes est estrechamente ligado a los puentes del subcontinente, y las experiencias aqu ganadas se han aplicado posteriormente en todo el mundo.

Ejemplos histricos de puentes con pilotes de gran dimetro, que evidencian grandes avances en el diseo y la construccin de fundaciones, logrados en Sudamrica a nivel internacional:

Puente sobre:

Lago de Maracaibo / Venezuela

Rio Niteroi / Brasil

Ro Uruguay entre Fray Bentos / Argentina - Puerto Unzu / Uruguay

Ro Paran Zrate-Brazo Largo / Argentina

PILOTES 1959 - 1962 1969 1974 1972 1976 1971 1978 Longitud: hasta 50 m hasta 70 m hasta 50 m hasta 73 m Dimetro: 1,35 m 1,8 m 1,50 m 2,0 m

Seccin: Hormign pretensado

Hormign armado Tubo de hormign pretensado, t = 15 cm, llenado con hormign

Camisa metlica colaborante de 16 mm; relleno de hormign armado

Construccin: Prefabricacin en tierra, montaje con gra flotante en perforaciones ejecutadas previamente

Perforado in situ

Prefabricacin del tubo en tierra, montaje con gra flotante en perforaciones ejecutadas previamente

Perforado in situ

Especialidad: Celdas de precarga

Puente sobre el Orinoco en Ciudad Guayana / Venezuela (2001 2006) Pilotes de hormign armado con longitudes de hasta L 83 m, dimetro de hasta 2,5 m y perforados in situ.

Puente sobre el R. Paran entre Posadas / Argentina y Encarnacin / Paraguay

Puente sobre el R. Paran entre Rosario y Victoria / Argentina 650 pilotes excavados de dimetros 1,80 y 2,00 m, fundados en arcillas duras muy compactas, miocnicas por debajo de arenas sueltas Puelchenses del valle del Paran.


BIBLIOGRAFA:

E. H. Reiner Saul - Leonhardt, Andr und Partner GmbH; Stuttgart, Alemania. Grandes Puentes Latinoamericanos y su Influencia sobre la Construccin Mundial de Puentes- Asociacin Argentina de Carreteras Buenos Aires, Septiembre de 2005.

Oscar A. Vard, Fundaciones Sobre Pilotes de Gran Dimetro - Conexin Vial Rosario Victoria - Academia Nacional de Ingeniera Argentina, 2012.

Bolognesi Arnaldo J. L. Ensayos de Carga Estticos de Compresin en Pilotes de Hormign Moldeados en Sitio: Anlisis y utilizacin de los resultados & Curva hiperblica que mejor se ajusta a los valores medidos - Sociedad Argentina de Ingeniera Geotcnica, Boletn N 43, 2003.

Bolognesi A. J. L. Moretto O. Stage Grouting Preloading of Large Piles on Sand. Proceedings of 8th ICSMFE, Moscow, 1973.

Lee J. H. and Salgado R. Determination of Pile Base Resistance in Sands J. Geotech. and Geoenvir. Engrg. ASCE, 1999.

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