PILAS DE PUENTE A MEDIA LADERA.

Los apoyos de los puentes que han de salvar valles o barrancos con grandes diferencias de nivel suelen elegirse de manera que se alcance un óptimo en el Proyecto. El encarecimiento progresivo del tablero del puente, que ocurre al distanciar los apoyos, debe equilibrarse con el coste de ejecución de los cimientos. En lugares con topografía abrupta, el número de apoyos suele ser reducido, dadas las dificultades de ejecutar la cimentación de los apoyos en zonas con fuertes pendientes.

En este apartado se incluyen algunas recomendaciones específicas que conviene considerar en el proyecto y la construcción de cimientos de puentes en zonas de fuerte pendiente. Se entienden por tales aquellos lugares donde la inclinación del terreno juega un papel importante, ya sea por la gran pendiente (pendiente > 50%, por ejemplo), ya sea por los problemas de estabilidad que la cimentación o sus excavaciones pueden plantear o, incluso, por los problemas asociados a las dificultades de acceso a la zona de trabajo.

Las recomendaciones formuladas en este apartado con carácter general, independientes de la inclinación del terreno, se entienden asimismo aplicables a cimentaciones de pilas de puente en terrenos llanos.

1. RECONOCIMIENTO DEL TERRENO   En las ocasiones que en adelante se consideran, el acceso a las zonas de apoyo en general no resulta fácil y, en consecuencia, los reconocimientos...

2. ESTABILIDAD DE LA LADERA   La construcción de apoyos de puentes en una ladera podría provocar como consecuencia una mejora de su estabilidad natural, pero esa no es la situación más frecuente. Más bien, al contrario...

3. TIPOLOGÍA DE LA CIMENTACIÓN   Las cimentaciones a media ladera pueden realizarse, igual que las de terrenos llanos, mediante zapatas o mediante pilotes. En estos casos, sin embargo, cuando ambas...

4 CIMENTACIONES SUPERFICIALES   Para construir cimentaciones superficiales de pilas de puente a media ladera, es preciso que el Proyecto incluya los planos de detalle correspondientes junto con las mediciones que sirvan para confeccionar el...

5. CIMENTACIONES PROFUNDAS   Los planos y especificaciones para la ejecución de las cimentaciones deben recoger todos los detalles significativos de las mismas, entre ellos, los siguientes...

DISPOSICIONES ESPECÍFICAS PARA OBRAS DE CARRETERA.

RECOMENDACIONES GENERALES
El proceso que conduce a una cimentación adecuada queda descrito en las Partes precedentes de este documento. Los reconocimientos geológico-geotécnicos necesarios, tanto en la fase de estudios previos como en la etapa de Proyecto de construcción, las comprobaciones que han de realizarse para verificar la seguridad y la satisfacción de las condiciones de servicio han sido descritos en los apartados precedentes para los distintos tipos de cimentación (superficial o profunda).

En esta Parte se pretende añadir otra serie de recomendaciones relativas a las cimentaciones en función del tipo de construcción de la que forman parte, considerando una serie de situaciones que suelen darse con cierta frecuencia en el proyecto y la construcción de carreteras.

Para cada uno de estos casos, se hace una descripción de la situación y se incluyen después unas recomendaciones que tratan de considerar los aspectos principales del proyecto, la construcción y la explotación (inspección y conservación) de cada construcción específica.

Dentro de las obras consideradas (pilas de puente a media ladera, estribos de puentes, muros de fábrica y de suelo reforzado, pasos inferiores, caños y otros conductos transversales), se han incluido una serie de recomendaciones relativas a la cimentación de rellenos y también acerca del uso de micropilotes y anclajes como elementos de cimentación.

Las reglas de buena práctica, de tipo general, que quieren destacarse en primer lugar son las siguientes:

• El proyecto, la construcción y la explotación deben tener una continuidad técnica. Como quiera que tal continuidad, en general, no podrá ser establecida a través de las personas (permanencia del mismo personal en cada una de las etapas), se debe conseguir a través de la documentación técnica. Cada obra debe disponer de un «archivo técnico» donde quede constancia detallada de cada estudio asociado a ella. El archivo debe comenzar con los primeros estudios de viabilidad y su custodia se irá transmitiendo a los sucesivos res- ponsables de la carretera.
• El autor material de cada estudio técnico debe poseer la titulación y experiencia suficiente en la materia. Cada estudio vendrá firmado por su autor indicando de manera claramente legible el nombre y titulación académica del firmante. El Director de los trabajos (estudios previos, proyecto, obra, conservación) debe velar por la idoneidad y dedicación de los autores de cada parte del mismo.
• Cada actividad técnica debe ser prevista y valorada con suficiente antelación, de manera que después pueda ser realizada en el momento adecuado y con la calidad debida.
• Ciertas actividades de conservación deben quedar definidas antes de concluir la construcción. En la etapa de proyecto deben marcarse las líneas generales que requiera esta actividad, pero la experiencia adquirida durante la construcción debe aprovecharse para completar los rasgos principales fijados en el Proyecto. El programa de auscultación, conservación y vigilancia de la obra, en su caso, debe incluir la parte correspondiente a las cimentaciones.

En el caso de los puentes y de ciertos pasos inferiores la detección de patologías en las cimentaciones durante la vida útil de la carretera, y la necesidad en su caso de auscultación de las mismas, se derivará, salvo circunstancias excepcionales, de los resultados de las inspecciones del Sistema de Gestión de Puentes o programa que lo sustituya.

PILOTES - EFECTO GRUPO.

Normalmente, las cimentaciones pilotadas requieren la disposición de grupos de pilotes que suelen quedar unidos por un encepado que recoge sus cabezas.

En los apartados precedentes, se ha descrito el modo en el que se puede calcular la carga de hundimiento de un pilote aislado, y también la carga axial que lo solicita. Con esos datos se podrá estimar el coeficiente de seguridad frente a hundimiento del pilote individual.

En los grupos de pilotes será necesario comprobar también la seguridad frente al hundimiento conjunto del grupo de pilotes. Este cálculo se efectuará como se indica a continuación.

En primer lugar, el conjunto de todos los pilotes del grupo se asimilará a un gran pilote cuya sección transversal sea tal que englobe (circunscriba) a todas las secciones transversales de los pilotes y del terreno que existe entre ellos.

Como longitud de ese pilote virtual equivalente, se tomará la longitud media de los pilotes del grupo.

Como contorno del pilote equivalente se considerará el correspondiente al de la sección transversal antes indicada, y sobre él se aplicará la resistencia por fuste. En la parte del contorno que sea ocupada por el propio terreno —y no por pilotes—, se supondrá que la resistencia unitaria por fuste es la misma que en el contacto real pilote-terreno.

Como peso del pilote equivalente debe tomarse la suma del correspondiente a cada uno de ellos y el del terreno que los rodea, dentro del grupo.

El cálculo de la carga de hundimiento de este gran pilote virtual, representativo del comportamiento conjunto, se realizará por alguno de los procedimientos anteriormente descritos.

PILOTES EMPOTRADOS EN ROCA.

La carga de hundimiento Qh de los pilotes que se empotran en roca tiene dos componentes esenciales: la resistencia por punta Qp y la debida a la parte del fuste en contacto con la roca Qf.

La resistencia por punta puede estimarse como el producto del área de la punta, Ap, por una presión límite de rotura, qp.


Mas adelante se indica un método de cálculo de presiones admisibles en roca para cimentaciones superficiales; en esta ocasión, interesa conocer la carga de hundimiento por punta para el caso de cimentaciones profundas. Para tener en cuenta la diferente situación, las presiones que se indica mas adelante deben adaptarse al caso (tipo de control posible en las discontinuidades, tipo de limpieza, menores áreas de apoyo, etc.). En consecuencia, se recomienda tomar como carga de hun- dimiento para pilotes en roca el siguiente valor:


Cuando el empotramiento sea importante, se puede utilizar el mismo procedimiento, multiplicando la carga de hundimiento por punta antes obtenida por el factor de empotramiento, df, definido por:

Donde:
df = Factor de empotramiento en roca, de la zona de la punta.
Lr = Profundidad de empotramiento en roca de la misma o mejor calidad que la existente en la punta.
D =Diámetro real o equivalente del pilote.

La resistencia por fuste de pilotes en roca será contabilizada, únicamente, dentro del empotramiento en roca sana o con grados de alteración II y III, a lo sumo. El aprovechamiento del rozamiento del fuste a lo largo de los suelos o rocas más alteradas, por encima de dicha profundidad, necesita una deformación que, en general, no es compatible con la del empotramiento en roca.

Dentro de la zona de empotramiento en roca se puede considerar, para la evaluación de la capacidad de carga de los pilotes perforados, una resistencia unitaria por fuste, τf, igual a:

Donde:

τf = Resistencia unitaria por fuste, dentro del empotramiento en roca.
qp = Resistencia unitaria por punta que correspondería a dicha roca según se ha determinado en este epígrafe, antes de ser afectada por el factor df, en su caso.

En cualquier caso, y salvo justificación expresa en contra, los valores de qp y τf se limitarán a unos valores máximos de 20 MPa y 2 MPa respectivamente.

EFECTO BARRERA EN GRUPOS DE PILOTES.

Cuando existe una sola alineación o fila de pilotes, se considera admisible repartir el empuje total estimado en partes iguales entre cada pilote de la pantalla.

Cuando existen varias alineaciones o filas de pilotes, el problema es más complejo. Los pilotes más expuestos a la generación de esfuerzos horizontales parásitos son los que están más próximos a las cargas superficiales que los provocan, o los que están más próximos a la cabeza de los taludes. Si el problema de la distribución de cargas resultara crítico, requeriría un análisis específi- co de interacción (cálculo con modelos numéricos).

Como norma general simplificada, se puede suponer que los esfuerzos totales antes estimados se distribuyen entre las sucesivas alineaciones o pantallas que pudieran existir, asignando a cada una de ellas un valor mitad que a la anterior. Véase figura 5.6.

EFECTO GRUPO EN LOS ESFUERZOS PARÁSITOS HORIZONTALES
FIGURA 5.6. EFECTO GRUPO EN LOS ESFUERZOS PARÁSITOS HORIZONTALES

EMPUJES HORIZONTALES SOBRE PILOTES PRÓXIMOS A TALUDES DE RELLENO.

Existen situaciones en las que se ejecutan pilotajes en rellenos, situándolos próximos a los taludes de los mismos. Es el caso, por ejemplo, de los estribos de puente pilotados desde la coronación de los terraplenes de acceso.

Siempre es una práctica recomendable construir primero los terraplenes y, una vez consolida- dos sus cimientos y estabilizados sus movimientos, ejecutar los pilotes. Si esa práctica se sigue, y si se observa un control fehaciente de los movimientos de los terraplenes, de manera que se pue- da asegurar que los movimientos futuros, tras la construcción del pilotaje serán mínimos (unos pocos centímetros, nunca más de 5 cm en el punto de mayor movimiento), entonces puede suponer- se que no existirán esfuerzos parásitos inducidos.

De otra forma y, si por cualquier circunstancia, se sigue la práctica, no recomendable, de construir los pilotes volados y después «enterrarlos» en los terraplenes de acceso, conviene realizar una estimación del esfuerzo horizontal inducido, y también del rozamiento negativo antes descrito.

Para evaluar el empuje horizontal que actúa sobre los pilotes, pueden desarrollarse cálculos específicos con modelos numéricos que permitan representar los detalles del caso en estudio. Estos procedimientos salen fuera del alcance de esta Guía.

Cuando el problema en cuestión no resulte crítico, se puede seguir el procedimiento simplificado que se describe en este epígrafe.

La estimación del empuje del terreno sobre los pilotes, requiere realizar cálculos de estabilidad global utilizando métodos de equilibrio límite adecuados al caso. En general se recomienda el uso del método de Bishop simplificado.

En primer lugar, debe calcularse la situación correspondiente al talud sin pilotes y, en función del resultado, decidir sobre el paso siguiente del proceso, como se indica a continuación:

• Si el coeficiente de seguridad resulta suficientemente elevado (F ≥ 1,7), se supondrá que no existe empuje sobre los pilotes.
• Si el coeficiente de seguridad es inferior a dicho valor (F < 1,7), la fuerza horizontal sobre el conjunto de los pilotes es aquella que asegura un coeficiente de seguridad global sufi- cientemente elevado.

En este segundo caso (F < 1,7), el cálculo puede realizarse de manera simplificada, mediante
los siguientes pasos:

• El grupo de pilotes ha de ser representado por un solo elemento resistente situado en el
centro de gravedad del grupo.
• Fijar un punto en la vertical del elemento resistente a la profundidad, hi (véase figura 5.5),tantear distintas líneas de rotura que pasen por dicho punto y realizar el cálculo de estabilidad suponiendo que no existen pilotes. Si el coeficiente de seguridad, en alguna de las líneas tanteadas resulta inferior a 1,7, se supondrá que sobre la masa deslizante actúa una fuerza F =– Ei (igual y contraria que el empuje de la masa deslizante sobre el pilote, que se representa en la figura 5.5) aplicada a una profundidad igual a 2/3 hi , cuyo valor se aumentará progresivamente hasta que los coeficientes de seguridad de todas las líneas de rotura que pasan por el punto en cuestión, sean iguales o superiores a 1,7 (Fi ≥ 1,7).
• Variar la profundidad, hi , y repetir el proceso para obtener una relación de parejas de valores (Ei, hi ) que aseguran un coeficiente de seguridad siempre superior a 1,7, para cualquier línea de rotura, que corte al elemento resistente que constituye el pilotaje, a la profundidad hi.
• Se entiende que la acción que produce el terreno sobre el elemento resistente es el valor de Ei
que conduce a la situación más desfavorable. Se entiende también que, en general, será más desfavorable aquella situación cuyo producto Ei · hi alcance el valor máximo (máxima flexión en el pilote).
• El empuje Ei que se obtiene es una fuerza por unidad de longitud transversal (perpendicular a la sección plana representada en la figura 5.5) y que habrá que multiplicar por la anchura para obtener el empuje total. A estos efectos se considera suficientemente aproximado tomar, como ancho B de cálculo, el menor de entre los tres siguientes:
• a) El ancho del terraplén en la coronación.
• b) El ancho del grupo de pilotes, medido entre los ejes de los pilotes extremos, más tres veces el diámetro del pilote.
• c) El producto del número de pilotes en una misma fila, en sentido perpendicular a la fuerza Ei, por tres veces su diámetro.
• El empuje total a distribuir entre todos los pilotes del grupo es:


• La distribución del empuje total entre los distintos pilotes del grupo puede efectuarse siguiendo el criterio indicado al respecto en el epígrafe 5.6.5.

Cuando sea necesario conocer la forma de reparto del empuje en la vertical del pilote, se podrá suponer un reparto triangular con valor nulo en la cabeza y máximo en la profundidad hi.

ESTIMACIÓN DE EMPUJES SOBRE PILOTES EJECUTADOS EN RELLENOS

PARÁMETROS DEL TERRENO - CIMENTACIONES PROFUNDAS.

De cada tipo de terreno será necesario disponer de la siguiente información:

• Datos generales que permitan clasificarlo: En esta Guía se detallan criterios de proyecto aplicables a formaciones rocosas, a suelos granulares y a terrenos arcillosos impermeables saturados. La información relevante que permite esa clasificación se puede obtener mediante ensayos de identificación (mineralogía, granulometría, plasticidad de la fracción fina, etc.).
• Datos de estado: Serán generalmente necesarios los datos relativos a pesos específicos, grado de saturación, porosidad e índice de poros.
• Parámetros resistentes: La resistencia se caracterizará con procedimientos acordes al tipo de terreno en cuestión, después de lo cual habrán de seguirse los procedimientos de comprobación correspondientes.

En general, para cualquier tipo de suelo se considera adecuado el uso del modelo resistente de Mohr-Coulomb, definiendo la resistencia con los parámetros de ángulo de rozamiento y cohesión.

Resulta admisible, también, caracterizar el terreno mediante parámetros indirectos tales como:
N = Índice del ensayo SPT, especialmente indicado en arenas.
qc = Resistencia por punta a la penetración estática.
pl = Presión límite de ensayos presiométricos.

Para el estudio de los problemas de movimientos de las cimentaciones profundas es conveniente conocer la deformabilidad del terreno, lo que puede caracterizarse mediante modelos elásticos (parámetros E, ν) o mediante modelos edométricos (parámetros, Cc, Cs, pc).

También es posible obtener parámetros de deformación a partir de correlaciones con los de resistencia. En el texto de esta Guía se indican algunos procedimientos adecuados en este sentido.

EJEMPLO DE PILOTAJE
FIGURA 5.2. EJEMPLO DE PILOTAJE

TIPOS DE CIMENTACIÓN PROFUNDA.

La cimentación de puentes y otras estructuras en obras de carretera exige, en general, la transmisión de grandes cargas concentradas, por lo que en ocasiones la cimentación directa (zapatas superficiales) no es conveniente.

La presencia de espesores grandes de suelos blandos próximos a la superficie es una de las razones principales para proyectar una cimentación profunda, pero, además, existen otros motivos que pueden hacerla más recomendable. La previsión de posibles socavaciones en cauces fluviales o en zonas costeras o la presencia de heterogeneidades importantes (cavidades cársticas, por ejemplo) son también motivos frecuentes para elegir una cimentación profunda.

En todo caso, la elección del tipo de cimentación, superficial o profunda, debe hacerse lo antes posible, pues los reconocimientos geotécnicos necesarios para el Proyecto normalmente serán diferentes en uno y otro caso. Generalmente, tales reconocimientos, en caso de duda, deben permitir el proyecto de ambas alternativas.

Las pequeñas obras de fábrica y los terraplenes no suelen requerir cimentación profunda excepto en zonas de terrenos muy blandos. En esos casos se suelen realizar tratamientos de mejora del terreno, aunque también pueden realizarse pilotajes de sustentación, que suelen ser pilotes de pequeña capacidad unitaria espaciados regularmente.

Los tipos de cimentación profunda que pueden resultar en un determinado proyecto son muy
variados, si bien, a efectos de ordenar las recomendaciones que siguen, pueden agruparse de la ma-
nera siguiente:

a) Pilotes aislados: También denominados pila-pilote. Suelen ser elementos de gran capacidad portante que prolongan la estructura de la pila de apoyo dentro del terreno, hasta la profundidad requerida. Es una solución bastante extendida para puentes de luces moderadas. Se ha aplicado en muchas ocasiones con pilotes hincados.

b) Grupos de pilotes: Es la solución más usual. La carga de la pila se transmite a varios pilotes a través de un encepado relativamente rígido, que enlaza sus cabezas.

c) Zonas pilotadas: Pilotes regularmente espaciados que en ocasiones se usan para reducir asientos o mejorar la seguridad frente al hundimiento de losas, terraplenes etc. Suelen ser pilotes de escasa capacidad de soporte individual.

ESQUEMA DE CIMENTACIONES PROFUNDAD (PILOTAJES)
FIGURA 5.1. ESQUEMA DE CIMENTACIONES PROFUNDAD (PILOTAJES)

En cuanto a su forma de trabajo, los pilotes o los pilotajes pueden clasificarse en (véase figura 5.1):

a) Pilotes por fuste: En aquellos terrenos en los que la capacidad portante crece de una manera paulatina con la profundidad, sin existir un nivel claramente más resistente, el pilotaje transmitirá su carga al terreno fundamentalmente a través del fuste. Se suelen denominar pilotes «flotantes».

b) Pilotes por punta: En aquellos terrenos en los que aparezca, a cierta profundidad, un estrato claramente más resistente, las cargas del pilotaje se transmitirán fundamentalmente por punta. Se suelen denominar pilotes «columna».

Es claro que entre esas dos situaciones pueden darse otras intermedias.

Conviene citar también una tipología de cimentación similar al pilotaje que se usa cuando existe un apoyo adecuado a escasa profundidad, pero no lo suficientemente somero como para establecer una cimentación superficial: son las cimentaciones semiprofundas o cimentaciones «en pozo». Se trata de elementos de cimentación similares a los pilotajes, pero con la relación profundidad/anchura mucho menor que en éstos últimos, ejecutados además con técnicas diferentes.

Las cimentaciones semiprofundas son aquellas cuya profundidad de cimentación queda com- prendida entre los límites razonables para considerarla superficial (D/B ≤ 2), y el límite razonable de definición de las cimentaciones profundas (D/B ≥ 5). En estas dos expresiones D y B representan la profundidad de la cimentación y su anchura (ancho de la cimentación —dimensión menor de la misma, en planta—, o diámetro de pilote).

Siempre es posible aplicar, para las cimentaciones semiprofundas, los procedimientos de análisis de las cimentaciones superficiales y profundas y seleccionar, de entre los resultados que se obtengan, el más desfavorable. Esto conducirá a soluciones conservadoras. Para estudios específicos de este tipo de cimentación deben consultarse los textos especializados existentes al respecto1.

Las cimentaciones profundas habrán de adecuarse a lo especificado en los artículos 670 «Cimentaciones por pilotes hincados a percusión» o 671 «Cimentaciones por pilotes de hormigón armado moldeados “in situ”», según el caso, del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3)
2.

ESFUERZOS DE LOS ELEMENTOS DE CIMENTACIÓN.

El cálculo de esfuerzos en los elementos de cimentación sale fuera del alcance de esta Guía. A pesar de ello, se formulan algunas recomendaciones que pueden ser de utilidad en el mismo.

Para las cimentaciones rígidas se considera aceptable suponer que la distribución de tensiones en el contacto hormigón-terreno es lineal. Aunque sería recomendable hacerlo, no se considera necesario suponer, como se hace para los cálculos de comprobación de tipo geotécnico, que las presiones transmitidas son de valor uniforme y que actúan únicamente en el área cobaricéntrica definida en anteriormente.

Las acciones de cálculo a considerar para el proyecto estructural serán diferentes de las que se utilizan para el cálculo geotécnico, ya que los coeficientes de mayoración de acciones serán distintos. Incluso aunque se utilice el método de los coeficientes parciales descrito anteriormente, no habrá coincidencia en este aspecto. El cálculo estructural se realiza con una metodología diferente y debe incluir el estudio de esfuerzos en todos los elementos estructurales, incluso los correspondientes al cimiento.

Para las cimentaciones flexibles es necesario considerar la deformabilidad del terreno en el cálculo de esfuerzos. Para ello es recomendable utilizar un modelo numérico adecuado que tenga en cuenta este aspecto.

El modelo más sencillo, cuya utilización se recomienda, sería el denominado modelo de Winkler en el que el terreno es sustituido por unos «resortes» cuya rigidez viene determinada por la expresión siguiente:


Donde:

R = Rigidez del modelo de Winkler.
K = Módulo de balasto.
A = Área del terreno representada por el «resorte».

El módulo de balasto K debe elegirse después de un cálculo específico de asientos de la cimentación que permita conocer, en cada parte de la zona de apoyo, tanto la presión local, p, como el asiento, s. El módulo de balasto queda definido por el cociente:

La determinación precisa del módulo de balasto puede requerir cálculos complejos de interacción suelo-estructura cuya descripción sale del ámbito de esta Guía, no obstante lo cual en aquellos casos en los que este aspecto sea crítico, será necesario realizarlos. El módulo de balasto no es una característica del terreno, es un valor que depende, además de la deformabilidad del terreno, de la geometría de la cimentación y de su rigidez.

En los cálculos de esfuerzos en pilares y tableros de puentes puede ser conveniente representar la deformabilidad del terreno suponiendo que los apoyos, en lugar de ser rígidos, tienen cierta deformabilidad que vendría dada por las expresiones incluidas en la figura 4.11.

En todo caso, será preceptivo seguir, en el cálculo de los esfuerzos en los puentes, lo especificado en la vigente IAP, requiere una consideración explícita de los posibles movimientos del cimiento.

FÓRMULAS MÁS USADAS PARA EL CÁLCULO DE ASIENTOS, DESPLAZAMIENTOS Y GIROS DE CIMIENTACIONES SUPERFICIALES RÍGIDAS
FIGURA 4.11. FÓRMULAS MÁS USADAS PARA EL CÁLCULO DE ASIENTOS, DESPLAZAMIENTOS
Y GIROS DE CIMIENTACIONES SUPERFICIALES RÍGIDAS