Se denomina cimentación al conjunto de elementosestructurales cuya misión es transmitir las cargas de laedificación o elementos apoyados a este al suelodistribuyéndolas de forma que no superen su presiónadmisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que laresistencia del suelo es, generalmente, menor que la delos pilares o muros que soportará, el área de contacto entreel suelo y la cimentación será proporcionalmente más grandeque los elementos soportados.

La cimentación es importante porque es el grupo deelementos que soportan a la superestructura. Hay queprestarle especial atención ya que la estabilidad de laconstrucción depende en gran medida del tipo de terreno.

Cimentaciones Corridas

Cimentación

Superficiales

Profundas

Zapatas

Losas de Cimentación

Pilotes

Cajones de

cimentación

Pilares

Las cimentaciones profundas se empleancuando los estratos de suelo o rocasituados inmediatamente debajo de laestructura no son capaces de soportar lacarga, con la adecuada seguridad o conun asentamiento tolerable.

Se basan en el esfuerzo cortante entre elterreno y la cimentación para soportarlas cargas aplicadas, o más exactamenteen la fricción vertical entre lacimentación y el terreno. Por eso debenser más profundas, para poder proveeruna gran área sobre la que distribuir unesfuerzo suficientemente grande parasoportar la carga.

Se denomina pilote a un elemento estructural utilizado paracimentación de obras, que permite trasmitir cargas hasta unestrato resistente del suelo, cuando este se encuentra a unaprofundidad tal que hace inviable, técnica oeconómicamente, una cimentación más convencionalmediante zapatas o losas.

Son piezas largas, cilíndricas o prismáticas, que tienes unárea de sección transversal pequeña comparada con sulongitud y usualmente se instalan usando un martillo o unvibrador.

Transferir carga a través de estratos blandos

Repartir carga por fricción lateral

Tomar carga de tracción por fricción negativa

Proporcionar anclaje y carga horizontal

Evitar socavación

Proteger cimentación por excavaciones futuras

Cimentación en suelos expansivos y colapsables

Proteger estructuras marinas

Soportar muros de contención

Compactar el suelo

Carga (P) : Es la carga de servicioque debe absorber el pilote parasatisfacer a la estructura.

Carga por Fricción (Pf ): Es la cargaque se desarrolla entre el fuste(cuerpo, área lateral) del pilote y elsuelo.

Carga por Punta (Pp) : Es la cargaque se desarrolla cuando al irhincando el pilote, debajo de lapunta de este, se va compactandoel suelo.

Capacidad de Carga de Pilotes

Los pilotes se caracterizan por:

Df/B≥ 10

Df = Profundidad enterrada del pilote.

B = Ancho o diámetro del pilote.

La determinación de la capacidad de carga de un pilote es uno de los puntos dela actual mecánica de suelos con más incertidumbre, dada la inexactitud de lasteorías disponibles. Se consideran dos tipos de análisis: Estático y Dinámico.

Análisis Estático

Los parámetros de suelo necesarios para determinar la capacidad estática deun pilote son el ángulo de fricción interna (Φ) y la cohesión (c) . Estosparámetros pueden ser obtenidos de ensayos triaxiales en muestrasinalteradas; sin embargo los parámetros resultantes no son muy buenos parapilotes hincados ya que el suelo en la vecindad del pilote sufre un remoldeo,cambiando su contenido de humedad e incrementando su densidad .

En las tablas siguientes se muestran valores representativos de Φ y c paradistintos tipos de suelo.

Tipo de Suelo Consistencia Φ

Arena gruesa o Compacto 40°

arena con grava Suelto 35°

Arena media Compacto 40°

Arena limosa Fina Suelto 30°

o limo arenoso Compacto 25°

Limo uniformeSuelto 30°

Compacto 25°

Arcilla - limo Suave a mediano 20°

Arcilla limosa Suave a mediano 15°

Arcilla Suave a mediano 0° - 10°

Valores representativos del ángulo de fricción interna (Φ)

Tipo de suelo c (kg\ cm2)

Arcilla rígida 0.25

Arcilla semirígida 0.1

Arcilla blanda 0.01

Arcilla arenosa 0.05

Limo rígido o duro 0.02

Valores referenciales de la cohesión (c)

El modelo del análisis estático que se

muestra en la figura, en la cual se observa

las interacciones determinadas por la

propiedades del suelo y la longitud del

pilote embebida en él.

Como el diámetro de un pilote de

cimentación es pequeño comparado con

su longitud, por lo menos una pequeña

parte de la carga es resistida por fricción y

adherencia entre la superficie exterior del

pilote y el suelo circundante. En

consecuencia como la Capacidad de

Carga Última (Pu) de un pilote sometido auna carga estática esta dad por:

Pu = Pp + Σ Pf

Donde :

Pp : Capacidad de carga por punta

Pf : Capacidad de carga por sección lateral de losestratos penetrados por el pilote.

La capacidad admisible (Padm)se toma como la menor de :

Capacidad de carga por punta(Pp)

Para pilotes de sección circular:

Para pilotes de sección cuadrada:

Donde:

c : cohesión

El término se emplea únicamente en suelos cohesivos.

γ : Peso específico del pilote.

Df : Profundidad de la cimentación.

A Nc, Nq y Nγ se les denomina coeficientes de capacidad de carga, siendo números adimensionales quedependen sólo del valor del ángulo de fricción interna.

Si el suelo que soporta el pilote es suelto o blando, los valores en Nc’, Nq’ y Nγ’ que se obtienen de lascurvas punteadas de la figura y el valor de c reemplazaos por el de c’ = 2/3c

FS

PP u

adm o

rN6.0NDcN3.1rP qfc

2

p

ccN3.1

La capacidad de carga por punta del pilote también puede ser

calculada empleando los datos obtenidos de los ensayos de

penetración estándar (SPT) o del cono de penetración.

Para el ensayo de penetración estándar se aplica la ecuación:

Donde:

Ap : Área de la punta del pilote.

B : Lado o diámetro del pilote.

N : Promedio estadístico de los valores obtenidos del SPT en una zona aproximada de 8B encima de la punta y 3B bajo la punta del pilote. Aplicar las correcciones respectivas a N.

Lb/B : Relación de profundidad promedio de la punta dentro del estrato de apoyo. En suelos estratificados pueden ser menor que L/B.

Para los datos del cono de penetración con L/B >_10, la capacidad por carga de punta es:

Donde:

qc : Promedio estadístico de la resistencia por punta del cono en una zona similar al SPT.

N400AB/L)N40(AP pbpp

qcAP pp

Capacidad de carga por fricción lateral (Pf)

La capacidad de carga de los pilotes resistentes por fricción depende

de la fricción fs entre los pilotes y suelos, cuya determinación mediante

ensayos de laboratorio es imprecisa. Por ello, la capacidad de carga

por fricción , puede determinarse soló por medio de ensayos de carga

en el terreno; o bien, en forma menos exacta, en función de valores

empíricos de fs, como los que se dan para los principales tipo de suelo

en la siguiente tabla.

Factores de capacidad portante para condiciones generales de corte.

Existen tres procedimientos para calcular la resistencia friccional de pilotes en suelos cohesivos: α, β y λ. Para pilotes en suelos no cohesivos se usa β.

La capacidad de carga por fricción es:

Donde:

As : Área efectiva de superficie lateral del pilote.

As : perímetro x ΔL

fs : Resistencia friccional en las caras laterales del pilote.

Σ : Suma de las contribuciones de cada estrato de suelo.

Método α

Donde:

α : Factor de adhesión. ( ver gráfico y tabla siguientes)

c : Cohesión promedio par el estrato de suelo en estudio.

q : Esfuerzo vertical efectivo en el elemento ΔL.

K : Coeficiente de presión lateral de tierra que varía de 1 – 1.75, dependiendo del volumen de desplazamiento, densidad del suelo, etc. Se recomienda valores cercanos a K0

K0 =

OCR = Presión de sobreconsolidación/Presión presente en sobrecarga.

δ : Ángulo de fricción efectiva entre el suelo y el material del pilote. Cuando ϕ = 0, δ = 0.

El rango de error de este método está en el orden de 25 %.

ssf fAP

qKTgcfs

2

1

OCR'sen1

Método β

Utilizando parámetros efectivos se plantea:

Si además el pilote está circundado por una sobrecarga qs, la ecuación se

puede reescribir como:

Donde:

β : KTgδ

q : Presión efectiva de sobrecarga en ΔL.

Tgδ : Coeficiente de fricción efectiva entre suelos y pilote.

K : Coeficiente de presión lateral, comúnmente se usa K = K0, se calcula se calcula usando ϕ.

Se sugiere estimar:

β = KTgδ = 0.18 + 0.0065 Dr

K = 0.50 + 0.008 Dr

Donde:

Dr : Densidad relativa.

qKqTgfs

qfs

Método λ

Para pilotes en arcilla

Donde:

λ : coeficiente obtenido por un análisis de regresión gráfica de un gran número de

pruebas de carga de pilotes.

q : esfuerzo vertical efectivo.

Su : Resistencia al corte del suelo.

El rango de error de este método está en el orden de 10%

Su2qfs

Ejemplo:

Un pilote de concreto armado de 0.35 m, de sección transversal en la

punta, fue hincado hasta penetrar 8 m dentro de un estrato de arena

densa, después de haber atravesado un depósito de 6 m de espesor

constituido por arcilla compacta. Según las características de cada

estrato de suelos referidos en la siguiente figura, calcular la capacidad

portante del pilote.

Cálculo de la capacidad de carga por punta.

Donde:

B = 0.35 m

C = 0.20 kg/cm2

γ = 1760 kg/m3

Df = 8.00 m + 6.00 m = 14.00m

Para ϕ = 30

NC = 37.2 Nq = 25.2 Nγ = 19.7

Entonces:

Cálculo de la capacidad de carga por fricción:

Donde:

Perímetro = 4 x 35 = 140 cm

ΔL1 = 600 cm

fs1 = 0.5 kg/cm2

ΔL2 = 800 cm

fs2 = 0.35 kg/cm2

Entonces:

Por lo tanto, la carga portante del pilote será:

rN4.0NDcN3.1BP qfc

2

p

sssf fLperímetrofAP

kg8120035.0x800x1405.0x600x140Pf

kg50.88506P

7.19x35.0x1760x4.02.25x14x17602.37x2000x3.1x35.0P

p

2

p

kg50.1697068120050.88506PPP fp

Análisis dinámico

Se han propuesto y utilizado un gran numero de formulas

dinámicas para el hincado. Estas se apoyan en la hipótesisde la que la capacidad máxima de carga es equivalente a

la fuerza dinámica de hincado.

a. Fórmulas Dinámicas

Relacionan la energía total del martillo usado en lainstalación del pilote, y la resistencia dinámica generada en

el sistema suelo-pilote bajo una rápida penetración.

Etotal = Eútil + Eperdida

Bajo este concepto se han deducido muchas fórmulas:

Para martillos de acción simple

Para martillos de acción doble

Donde:

Qd : resistencia dinámica en la punta del pilote

W : Peso del martillo

h : altura de caída

s : Penetración de la punta del pilote en el impacto considerado.

c : 2.25 cm para martillo de caída libre y 0.25 cm para martillo de vapor.

p : Presión de vapor del martillo.

A : Área del émbolo del martillo.

cs

WhQd

cs

hpAWQd

Para martillos de acción simple

Para martillos de acción doble

Donde:

Qd : Resistencia ultima al hincado.

ef : Eficiencia mecánica del martillo de hincado.

e: coeficiente de restitución.

En : Término de energía por golpe proporcionado por el fabricante de la unidad.

W : peso del martillo.

Wp : Peso del pilote y accesorios para la hinca.

h : altura de caída.

s : Penetración del pilote con el golpe.

c1 : Compresión temporal en la cabeza del pilote y su protección.

c2: Compresión temporal del pilote.

c3 : Compresión del suelo bajo el impacto.

WpW

eWpWx

)ccc(2

1s

efWhQ

321

d

WpW

eWpWx

ccc2

1s

efEQ

321

nd

En la deducción de esta fórmula se incluye un factor del

sistema suelo-pilote. Es la fórmula de Hiley Corregida.

La energida transferida al pilote por el martillo (E Total) es igual

a la energía necesaria para la penetración del pilote (E útil)más la energía perdida por la elasticidad del sistema suelo-

pilote.

Finalmente empleando la simbología adoptada en los

manuales técnicos de martillos Delmag, tenemos:

Para el cálculo de capacidad de carga admisible se tomará

en cuenta un factor de seguridad FS igual a 2

Peso del Pistón del

Martillo Delmag

Diesel

Ejemplo: calcula el rechazo necesario para que un pilote de

concreto de 22m de longitud y de 0.40x0.40m2 de sección

transversal resista una carga de servicio de 80 tn.

Los pilares son elementos estructurales

de concreto vaciados “in situ” con

diámetro mayor a 1,00 metro, con o sin

refuerzo de acero y con o sin fondo

ampliado.

Los cajones de cimentación son

elementos estructurales de concreto

armado que se construyen sobre el

terreno y se introducen en el terreno por

su propio peso al ser excavado el suelo

ubicado en su interior. El PR deberá

indicar el valor la fricción lateral del

suelo para determinar el peso requerido

por el cajón para su instalación.

La función principal de un sótano es la de suministrar unespacio adicional en el edificio para el propietario, y elhecho de que reduce la presión de carga neta por el pesodel suelo desplazado, puede ser completamente incidental(Tomlinson, 1996).

Los sótanos se deben diseñar para permitir que lasubestructura se use con varios propósitos como bodegas dealmacenaje o estacionamientos subterráneos. Hay cuatrométodos principales de construcción de sótanos:

a) En excavaciones con lados inclinados;

b) En excavaciones soportadas por madera (comotablacitacas) o placas apiladoras;

c) En excavaciones soportadas por un muro de diafragma deconcreto reforzado construido previo a la excavaciónprincipal;

d) En excavaciones soportadas por un muro de pilotebarrenado construido previo a la excavación principal(Tomlinson, 1996).