La determinación
de la capacidad de carga final de los pilotes es fundamental para garantizar la
estabilidad de las estructuras. En el caso de pilotes hincados, a pesar de las innumerables
fórmulas de Hincado que intentan correlacionar el número de golpes de martillo
con una resistencia última o capacidad portante (p.e. Formula Holandesa, Gates
modificada o fórmulas de hincado de proveedores de martillos) la manera más
exacta de conseguir una correlación es haciendo el ensayo de carga.
La capacidad
portante de un pilote al momento de su hincado en el terreno presenta
variaciones en relación a su capacidad portante a largo plazo. Esta variación
depende en gran parte del tipo de terreno y de las características del pilote
hincado. Esta variación de resistencia se debe al incremento de presión de
poros del suelo por la aplicación dinámica y cíclica de la carga que corta,
remolda y comprime el terreno alrededor del pilote.
Este exceso o
aumento de presión de poros causa una reducción del esfuerzo efectivo vertical
y horizontal del suelo que actúa sobre el pilote (Figura 1) y así
consecuentemente en su resistencia al corte.
𝜎′𝑣 = 𝜎𝑣 – 𝑢
𝜎′ℎ = 𝑘 ∙ 𝜎′𝑣
Fig. 1: Aplicación
del esfuerzo efectivo horizontal del suelo en el pilote.
Entonces, la
pérdida del esfuerzo efectivo horizontal resulta en una disminución de la
capacidad portante del pilote durante y por un período después del hincado ya
que el proceso de drenaje radial del terreno que permitirá la disipación del
exceso de presión de poros ocurrirá durante un período de tiempo que depende
principalmente de la capacidad de drenaje del mismo.
Con la disipación
del exceso de presión de poros, existirá un aumento de la resistencia al corte
del terreno lo que se reflectará en un aumento de la capacidad portante
estática del pilote, este fenómeno se denomina Setup del suelo.
El porcentaje de
pérdida de Resistencia del pilote en el hincado está entonces directamente
relacionado con el fenómeno de Setup a través de lo que llamamos Factor de Setup.
La magnitud del
aumento de resistencia y del tiempo de disipación del fenómeno de exceso de
presión de poros depende fundamentalmente de las características del terreno y
de las dimensiones y material del pilote.
Por sus
características impermeables, los materiales arcillosos experimentan mayores
aumentos de presión de poros cuando son cargados principalmente si se
encuentran en estado blando es decir con un contenido de humedad muy cercano o por
encima de su estado límite de liquidez.
En seguida se
presenta una compilación de varios estudios de aumento de poro presión durante
el hincado de pilotes realizada por Poulos y Davis, 1980, que demuestra que
para el caso de arcillas la variación de la presión de poros puede ultrapasar
el valor del esfuerzo efectivo inicial, significando por eso un esfuerzo
efectivo durante el hincado inferior a 0.
Fig. 2: Resumen de
mediciones de la presión de poros alrededor de un pilote hincado.
Estos resultados
explican el siguiente caso presentado por un equipo de investigación de la
Universidad Nacional Autónoma de México.
“Al hincarse un pilote por los impactos de un martillo se
inducen en el suelo circundante, presiones de poro tan altas que rebasan al
esfuerzo vertical efectivo in situ prevaleciente antes del hincado; ello
determina en buena medida la penetración del pilote, y que la capacidad de
carga inmediata resulte prácticamente nula. No es extraño que durante el
hincado de pilotes en la arcilla blanda de la ciudad de México, haya necesidad
de sujetarlos con cables de acero y estrobos, ya que al aplicar el martillo
unos cuantos y restringidos golpes, el pilote penetre varios metros con gran
facilidad. Por la disipación posterior de esa presión en el agua y la
consecuente ganancia de resistencia al esfuerzo cortante, aunadas a otros
fenómenos que ocurren alrededor del fuste, y que se discuten en este artículo,
los pilotes alcanzan con el tiempo capacidad para soportar las cargas de
trabajo.” (Mendoza et al.)
En materiales
granulares, como el caso de las arenas y limos, el fenómeno de Setup del suelo,
a pesar de en menor magnitud, también puede ocurrir especialmente cuando el
material se encuentra saturado y sujeto a esfuerzos cíclicos con una periodicidad
suficientemente elevada que no le permita disipar el aumento de poro presión
generado por estos. El aumento de poro presión en terrenos granulares, además
de reflectarse en la perdida de esfuerzo efectivo, genera un alejamiento entre
las partículas, lo que afecta su módulo de resistencia y ángulo de fricción.
El manual de
diseño de pilotes de Federal Highway Administration of U.S. Deparment of
Transportation (FHWA) presentan los resultados del estudio realizado por
Rausche, et al. (1996), donde se calculó los Factores de Setup con base en el
tipo predominante de suelo al largo del fuste de 99 pilotes hincados en 46
diferentes proyectos (Figura 3).
La forma más
común de determinación del Factor de Setup de un terreno después del hincado de
un pilote es la ejecución de un Ensayo Dinámico tras el período de total
disipación de exceso de presión de poros. Determinándose la resistencia ultima
de un pilote en los primeros golpes del rehincado y comparándose ese valor con
el valor obtenido en los últimos golpes del hincado inicial es posible
determinar cuál es el incremento de la resistencia debido al fenómeno de Setup.
La resistencia en
rehincado deberá ser determinada en los primeros golpes del rehincado,
anteriormente a la generación de un nuevo aumento de presión de poros que
generará un nuevo fenómeno de perdida de resistencia. Esta nueva disminución de
resistencia se verifica generalmente a partir de un rehincado equivalente a
medio diámetro de pilote.
Mientras que en
materiales arcillosos la disipación total del exceso de presión de poros puede
tardar un período superior a un mes, para materiales granulares esta disipación
es mucho más rápido. Por este motivo es general recomendarse la ejecución del
ensayo dinámico en rehincado por lo menos 15 días después del hincado en el
caso de materiales arcillosos y 5 días a una semana en caso de materiales
granulares. A este ensayo se le conoce como el Rechazo de la Coca-Cola, es decir el Ingeniero de campo termina de
hincar un pilote y se va a tomar una coca-cola mientras espera que el terreno
logre una mayor resistencia al fuste, para después hacer la prueba.
