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Pruebas de carga de pilotes

¿Cómo comprobar que los pilotes prefabricados hincados tienen la resistencia suficiente?

Carlos Fernandez Tadeo. CFT & Asociados, S.L.30/01/2018
Se hincan pilotes para la cimentación de estructuras en suelos blandos porque son muy cómodos de ejecutar. En este artículo se exponen distintos métodos para comprobar que la resistencia del pilote ya hincado se corresponde con la que estaba prevista por el diseño previo.
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Fig 1.- Vista de ejecución de un pilote hincado.

El diseño previo de los pilotes se realiza habitualmente mediante un cálculo analítico que estima su resistencia por fuste y por punta en función de las características del terreno y que permite calcular la longitud del pilote a hincar. Otro método de diseño cada vez más extendido es el de la realización de unas pocas pruebas de carga previas.

Pero luego se necesita algún sistema para comprobar que la resistencia del pilote ya hincado se corresponde con la que estaba prevista por el diseño previo. El método más antiguo es comprobar la penetración (o ‘rechazo’) del pilote tras una andanada de golpes con el martillo de hinca: parece lógico pensar que cuanto menos penetre el pilote, más resistencia tiene. Existen muchas fórmulas para calcular la resistencia del pilote a partir de la medición del rechazo. A continuación figura la fórmula de Hiley, que es la que recogen algunos códigos geotécnicos españoles, como la Guía de cimentaciones en obras de carretera del Ministerio de Fomento, de donde está extraída la figura.

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Fig 2.- Formula de Hiley para el cálculo de la resistencia del pilote.

Como se puede observar en la fórmula y en la descripción de los parámetros que intervienen en ella, sólo hay un dato que se mide realmente, que es el rechazo, pero el resto son parámetros y coeficientes cuyo valor no siempre se conoce bien y que tienen una variabilidad grande, por lo que la fiabilidad del resultado de resistencia obtenido con estas fórmulas es muy grande. En consecuencia, los códigos exigen unos coeficientes de seguridad muy altos aplicables a los resultados de las fórmulas de hinca.

El desarrollo de los computadores, de los métodos numéricos de cálculo, y de la instrumentación electrónica, ha permitido avances notables en la comprobación de la resistencia de un pilote hincado mediante pruebas dinámicas de golpeo, hasta tal punto que las fórmulas de hinca están prácticamente prohibidas en los códigos geotécnicos de la mayoría de países avanzados.

En la Fig. 3, obtenida de la ROM 0.5-05 de Puertos del Estado, se esquematiza el modelo más popular desde hace décadas para el cálculo numérico y electrónico, que utiliza la ecuación de la onda que se propaga en un medio unidimensional. El modelo discretiza el pilote en varios tramos con masa y elasticidad, y la interacción en el fuste y en la punta entre esos tramos de pilote y el suelo se simula mediante esquemas de masas suspendidas, muelles y amortiguadores viscosos.

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Fig 3.- Modelo discreto de la ecuación de la onda.

El programa de cálculo más conocido, que utiliza un modelo matemático de este estilo, es GRLWeap, cuya pantalla principal de entrada de datos se puede ver en la Fig. 4.

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Fig 4.- Pantalla principal del modelo GRL Weap.

Con este tipo de programas se puede obtener la resistencia del pilote que corresponde a un determinado rechazo medido, con mayor precisión que con las fórmulas de hinca. Estos programas también permiten hacer simulaciones previas de una hinca completa, para comprobar si el martillo previsto podrá llevar el pilote hasta la profundidad esperada, con tensiones inducidas por el golpeo que sean admisibles, y estimar la duración de la hinca.

Todavía quedan parámetros en el cálculo que pueden tener una cierta variabilidad, como son los que se refieren a la eficiencia del martillo, y a las características de las diferentes capas de suelo en la zona en que está hincado el pilote. Si se realiza una hinca con el pilote instrumentado con acelerómetros y medidores de deformación, se pueden comparar los datos medidos con los que se habían estimado en el cálculo previo. De ese modo se pueden modificar los parámetros del programa para ajustar el modelo. En la Fig. 5 se pueden observar dos curvas ajustadas, una de golpes necesarios para hincar 25 cm (que es una forma de medir el rechazo), y otra de la energía transmitida por el golpe a medida que el pilote va penetrando. Una vez ajustado el modelo, nos permite calcular un resultado de resistencia del pilote mucho más exacto.

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Fig 5.- Curvas ajustadas de golpes (izda) y energía transmitida (dcha.).

Otra curva importante que se obtiene de este cálculo numérico es la denominada ‘curva de rechazo’, que para un pilote de tamaño y peso determinado, hincado a una determinada profundidad, con un martillo definido y con altura de caída específica, nos permite conocer la resistencia del pilote en función del rechazo medido (Fig. 6).

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Fig 6.- Curva de rechazo.

La metodología más utilizada actualmente para comprobar la resistencia de pilotes hincados es la realización de pruebas de carga dinámica al cabo de unos días o semanas tras la hinca. Se dan golpes con el martillo de hinca al pilote, movilizando su resistencia por fuste y punta, captando las ondas generadas en el pilote mediante acelerómetros y medidores de deformación.

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Fig 7.- Ensayo dinámico de pilote hincado.

Se obtienen así curvas de fuerza y velocidad como las de la figura siguiente, donde en la parte inferior se ha dibujado la onda de fuerza ascendente y la onda de fuerza descendente, que son la solución matemática de la ecuación de la onda.

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Fig 8.-  Curvas medidas (arriba) y calculadas (abajo).

Estas curvas de fuerza y velocidad captadas por la instrumentación durante la prueba permiten realizar unos cálculos simplificados de resistencia del pilote, cuyos resultados normalmente se obtienen inmediatamente en la pantalla del equipo de toma de datos. Pero lo usual es realizar unos cálculos más complejos con un modelo matemático similar al explicado arriba, modificando los parámetros del modelo para conseguir que la curva de fuerza del modelo se ajuste lo más posible a la real obtenida en el golpe de prueba. Una vez conseguido así el ajuste del modelo matemático, el programa realiza un cálculo estático en el modelo, obteniendo la resistencia movilizada en la prueba por fuste y por punta, y en cada uno de los segmentos en que se ha discretizado el pilote. El programa de este tipo más conocido es Capwap, de Pile Dynamics. A continuación (Fig. 9) se muestra una salida gráfica de este programa.

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Fig 9.- Salida gráfica del programa Capwap (Pile Dynamics).

En definitiva, se dispone de metodologías variadas para comprobar la resistencia última de un pilote hincado, que prácticamente no incrementan el coste de la obra, y que permiten eliminar las frecuentes dudas que aparecen en este tipo de cimentaciones hincadas.

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